수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문 <가>와 <나>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 함수의 극대와 극소의 판정함수 f(x)\displaystyle f(x)의 이계도함수 f′′(x)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)가 존재하고 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0일 때,(a) f′′(a)<0\displaystyle f^{\prime\prime}(a)<0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극대이고, 극댓값은 f(a)\displaystyle f(a)이다.(b) f′′(a)>0\displaystyle f^{\prime\prime}(a)>0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극소이고, 극솟값은 f(a)\displaystyle f(a)이다.

<나> 사인함수와 코사인함수의 도함수ddxsin⁡x=cos⁡x,ddxcos⁡x=−sin⁡x\displaystyle \frac d{dx}\sin x=\cos x,\qquad\frac d{dx}\cos x=-\sin x.

2-1. 임의의 α\displaystyle \alpha와 k\displaystyle k에 대하여 sin⁡x+kcos⁡x=1+k2cos⁡(x−α)\displaystyle \sin x+k\cos x=\sqrt{1+k^2}\cos(x-\alpha)를 만족할 때, sin⁡α=11+k2\displaystyle \sin\alpha=\frac1{\sqrt{1+k^2}}이고 cos⁡α=k1+k2\displaystyle \cos\alpha=\frac k{\sqrt{1+k^2}}임을 보여라. [15점]

2-2. 문제 2-1을 이용하여 함수 f(x)=sin⁡x−cos⁡x+sin⁡xcos⁡x\displaystyle f(x)=\sin x-\cos x+\sin x\cos x (0≤x≤2π\displaystyle 0\le x\le2\pi)가 최대가 되는 x\displaystyle x의 값을 구하여라. [20점]

해설강의 준비중

2-1. [풀이] 식 sin⁡x+kcos⁡x=1+k2cos⁡(x−α)\displaystyle \sin x+k\cos x=\sqrt{1+k^2}\cos(x-\alpha)에 x=0\displaystyle x=0를 대입하면, k=1+k2cos⁡(−α)\displaystyle k=\sqrt{1+k^2}\cos(-\alpha).코사인함수는 y\displaystyle y축 대칭 함수이므로, cos⁡α=k1+k2\displaystyle \cos\alpha=\frac k{\sqrt{1+k^2}}.한편 식 sin⁡x+kcos⁡x=1+k2cos⁡(x−α)\displaystyle \sin x+k\cos x=\sqrt{1+k^2}\cos(x-\alpha)에 x=α\displaystyle x=\alpha를 대입하면, sin⁡α+kcos⁡α=1+k2\displaystyle \sin\alpha+k\cos\alpha=\sqrt{1+k^2}.그런데 cos⁡α=k1+k2\displaystyle \cos\alpha=\frac k{\sqrt{1+k^2}}이므로 sin⁡α=11+k2\displaystyle \sin\alpha=\frac1{\sqrt{1+k^2}}.

2-2. [풀이] f(x)=sin⁡x−cos⁡x+sin⁡xcos⁡x\displaystyle f(x)=\sin x-\cos x+\sin x\cos x이므로,f′(x)=cos⁡x+sin⁡x+cos⁡2x−sin⁡2x=(cos⁡x+sin⁡x)(1+(cos⁡x−sin⁡x))\displaystyle f^{\prime}(x)=\cos x+\sin x+\cos^2x-\sin^2x=(\cos x+\sin x)(1+(\cos x-\sin x))이고 f′′(x)=−sin⁡x+cos⁡x−4sin⁡xcos⁡x\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=-\sin x+\cos x-4\sin x\cos x.

그러므로 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 해는 cos⁡x+sin⁡x=0\displaystyle \cos x+\sin x=0의 해이거나 1−(sin⁡x−cos⁡x)=1−2cos⁡(x−α)=0\displaystyle 1-(\sin x-\cos x)=1-\sqrt2\cos(x-\alpha)=0의 해이다.이 때 문제 2-1에 의해 sin⁡α=12\displaystyle \sin\alpha=\frac1{\sqrt2}이고 cos⁡α=−12\displaystyle \cos\alpha=-\frac1{\sqrt2}이므로 α=3π4\displaystyle \alpha=\frac{3\pi}4이다.cos⁡x+sin⁡x=0\displaystyle \cos x+\sin x=0의 해는 x=3π4,7π4\displaystyle x=\frac{3\pi}4,\frac{7\pi}4인데, 이 경우 f′′(x)>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)>0이므로 이때 f(x)\displaystyle f(x)가 최댓값을 가질 수 없다.

1−2cos⁡(x−α)=0\displaystyle 1-\sqrt2\cos(x-\alpha)=0의 해는 x−α=π4,−π4\displaystyle x-\alpha=\frac\pi4,-\frac\pi4이고 α=3π4\displaystyle \alpha=\frac{3\pi}4이므로 x=π,π2\displaystyle x=\pi,\frac\pi2이다.결국 x\displaystyle x의 값이 π2\displaystyle \frac\pi2와 π\displaystyle \pi일 때 f(x)\displaystyle f(x)는 최댓값 1\displaystyle 1을 갖는다.

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