수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 1번

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문제

[문제 1] 실수 전체의 집합에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 이차함수 g(x)=x2−3\displaystyle g(x)=x^{2}-3가 다음 조건을 만족시킬 때, 아래 물음에 답하시오. [30점]

(가) f(2)=1\displaystyle f(2)=1

(나) 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=f(−x)\displaystyle f(x)=f(-x)이다.

(다) 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프는 서로 다른 두 점에서만 만난다.

(라) lim⁡n→∞1n∑k=12n{f(kn)+g(kn)}=−6\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{2n}\left\{f\left(\frac{k}{n}\right)+g\left(\frac{k}{n}\right)\right\}=-6

(1) 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프가 만나는 점의 좌표를 모두 구하시오.

(2) 문항 (1)에서 구한 두 점의 x\displaystyle x좌표를 각각 a,b\displaystyle a,b (a<b\displaystyle a<b)라 하자. a≤x≤b\displaystyle a\le x\le b일 때, 부등식 f(x)≥g(x)\displaystyle f(x)\ge g(x)이 성립함을 보이시오.

(3) 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오.

해설강의 준비중

(1) 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프가 만나는 점의 좌표를 모두 구하시오.풀이: 조건 (가)와 (나)에 의해 f(2)=f(−2)=1\displaystyle f(2)=f(-2)=1이므로 f(2)=f(−2)=g(2)=g(−2)=1\displaystyle f(2)=f(-2)=g(2)=g(-2)=1이다. 따라서, 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프가 만나는 두 점의 좌표는 (−2,1)\displaystyle (-2,1)와 (2,1)\displaystyle (2,1)이다.

(2) 문항 (1)에서 구한 두 점의 x\displaystyle x좌표를 각각 a,b\displaystyle a,b (a<b\displaystyle a<b)라 하자. a≤x≤b\displaystyle a\le x\le b일 때, 부등식 f(x)≥g(x)\displaystyle f(x)\ge g(x)이 성립함을 보이시오.풀이: 문항 (1)의 결과로부터 a=−2\displaystyle a=-2, b=2\displaystyle b=2이고, 조건 (다)에 의해 −2≤x≤2\displaystyle -2\le x\le2에서 f(x)−g(x)≥0\displaystyle f(x)-g(x)\ge0 또는 f(x)−g(x)≤0\displaystyle f(x)-g(x)\le0이다. 조건 (다)에 의해 ∫02{f(x)+g(x)}dx=−6\displaystyle \int_{0}^{2}\{f(x)+g(x)\}dx=-6임을 알 수 있고, 2∫02g(x)dx=2∫02(x2−3)dx=−103\displaystyle 2\int_{0}^{2}g(x)dx=2\int_{0}^{2}(x^{2}-3)dx=-\frac{10}{3}이므로,Correction. 적분값 −6\displaystyle -6의 근거로 적힌 조건 (다)는 조건 (라)의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.Correction. 2∫02g(x)dx\displaystyle 2\int_0^2g(x)dx의 값은 −103\displaystyle -\frac{10}{3}이 아니라 −203\displaystyle -\frac{20}{3}이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.∫02{f(x)−g(x)}dx=∫02{f(x)+g(x)}dx−2∫02g(x)dx=23>0\displaystyle \int_{0}^{2}\{f(x)-g(x)\}dx=\int_{0}^{2}\{f(x)+g(x)\}dx-2\int_{0}^{2}g(x)dx=\frac{2}{3}>0가 된다. 0≤x≤2\displaystyle 0\le x\le2에서 f(x)−g(x)\displaystyle f(x)-g(x)의 부호는 변하지 않으므로 ∣f(x)−g(x)∣=f(x)−g(x)\displaystyle |f(x)-g(x)|=f(x)-g(x) 또는 ∣f(x)−g(x)∣=g(x)−f(x)\displaystyle |f(x)-g(x)|=g(x)-f(x)이다. y\displaystyle y축과 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)로 둘러싸인 부분의 넓이는 ∫02∣f(x)−g(x)∣dx\displaystyle \int_{0}^{2}|f(x)-g(x)|dx으로 나타낼 수 있고, ∫02{f(x)−g(x)}dx=23\displaystyle \int_{0}^{2}\{f(x)-g(x)\}dx=\frac{2}{3}이므로, 0≤x≤2\displaystyle 0\le x\le2에서f(x)−g(x)=∣f(x)−g(x)∣≥0\displaystyle f(x)-g(x)=|f(x)-g(x)|\ge0임을 알 수 있다. f(−x)=f(x)\displaystyle f(-x)=f(x), g(−x)=g(x)\displaystyle g(-x)=g(x)역시 만족하므로, −2≤x≤2\displaystyle -2\le x\le2에서 f(x)≥g(x)\displaystyle f(x)\ge g(x)이다.

(3) 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오.풀이: 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프가 y\displaystyle y축 대칭이므로 함수 y=f(x)−g(x)\displaystyle y=f(x)-g(x)의 그래프 역시 y\displaystyle y축 대칭이다. 문항 (2)의 결과로부터 −2≤x≤2\displaystyle -2\le x\le2에서 f(x)≥g(x)\displaystyle f(x)\ge g(x)이므로 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)로 둘러싸인 도형의 넓이는∫−22∣f(x)−g(x)∣dx=∫−22{f(x)−g(x)}dx=2∫02{f(x)−g(x)}dx=43\displaystyle \int_{-2}^{2}|f(x)-g(x)|dx=\int_{-2}^{2}\{f(x)-g(x)\}dx=2\int_{0}^{2}\{f(x)-g(x)\}dx=\frac{4}{3}이다.

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