수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문 <가>~<다>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> f(x)=cos⁡(π2x)\displaystyle f(x)=\cos\left(\frac{\pi}{2}x\right)

<나> 실수 전체의 집합에서 미분가능한 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 g(0)=g′(0)=1\displaystyle g(0)=g^{\prime}(0)=1을 만족한다.

<다> 미분가능한 함수 y=h(x)\displaystyle y=h(x)의 x=a\displaystyle x=a에서의 미분계수는 lim⁡x→ah(x)−h(a)x−a=h′(a)\displaystyle \lim_{x\to a}\frac{h(x)-h(a)}{x-a}=h^{\prime}(a)이다.

1-1. 제시문을 이용하여 주어진 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 lim⁡x→1g(f(x))−1x−1\displaystyle \lim_{x\to1}\frac{g(f(x))-1}{x-1}의 값을 구하시오. [10점]

1-2. lim⁡x→0sin⁡2xx(ex−1)∫0xg(t)dt\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin2x}{x(e^x-1)}\int_0^xg(t)dt의 값을 구하시오. [15점]

해설강의 준비중

[1-1 풀이]f(1)=0\displaystyle f(1)=0이므로 제시문에 의하여 g(f(1))=1\displaystyle g(f(1))=1따라서lim⁡x→1g(f(x))−1x−1=lim⁡x→1g(f(x))−g(f(1))x−1=(g∘f)′(1)\displaystyle \lim_{x\to1}\frac{g(f(x))-1}{x-1}=\lim_{x\to1}\frac{g(f(x))-g(f(1))}{x-1}=(g\circ f)^{\prime}(1)

여기서 h(x)=(g∘f)(x)=g(f(x))\displaystyle h(x)=(g\circ f)(x)=g(f(x))라 두면 h′(x)=g′(f(x))f′(x)\displaystyle h^{\prime}(x)=g^{\prime}(f(x))f^{\prime}(x)이므로h′(1)=g′(f(1))f′(1)=g′(0)f′(1)\displaystyle h^{\prime}(1)=g^{\prime}(f(1))f^{\prime}(1)=g^{\prime}(0)f^{\prime}(1)한편 f′(1)=−π2\displaystyle f^{\prime}(1)=-\frac{\pi}{2}이고 g′(0)=1\displaystyle g^{\prime}(0)=1이므로lim⁡x→1g(f(x))−1x−1=h′(1)=−π2\displaystyle \lim_{x\to1}\frac{g(f(x))-1}{x-1}=h^{\prime}(1)=-\frac{\pi}{2}

[1-2 풀이]lim⁡x→0sin⁡2xx(ex−1)∫0xg(t)dt=lim⁡x→0(sin⁡2x2x)(2xex−1)(1x∫0xg(t)dt)=(lim⁡x→0sin⁡2x2x)(lim⁡x→02xex−1)(lim⁡x→01x∫0xg(t)dt)⋯⋯\displaystyle \begin{aligned}\lim_{x\to0}\frac{\sin2x}{x(e^x-1)}\int_0^xg(t)dt&=\lim_{x\to0}\left(\frac{\sin2x}{2x}\right)\left(\frac{2x}{e^x-1}\right)\left(\frac1x\int_0^xg(t)dt\right)\\&=\left(\lim_{x\to0}\frac{\sin2x}{2x}\right)\left(\lim_{x\to0}\frac{2x}{e^x-1}\right)\left(\lim_{x\to0}\frac1x\int_0^xg(t)dt\right)\quad\cdots\cdots\end{aligned} ㉠이다.G(x)=∫0xg(t)dt\displaystyle G(x)=\int_0^xg(t)dt라 하면lim⁡x→01x∫0xg(t)dt=lim⁡x→0G(x)−G(0)x−0=G′(0)\displaystyle \lim_{x\to0}\frac1x\int_0^xg(t)dt=\lim_{x\to0}\frac{G(x)-G(0)}{x-0}=G^{\prime}(0)

한편, lim⁡x→0sin⁡2x2x=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin2x}{2x}=1이고 lim⁡x→02xex−1=2lim⁡x→0xex−1=2×1=2\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{2x}{e^x-1}=2\lim_{x\to0}\frac{x}{e^x-1}=2\times1=2이다.

따라서 G′(0)=g(0)=1\displaystyle G^{\prime}(0)=g(0)=1이므로 구하는 값은 ㉠에서lim⁡x→0sin⁡2xx(ex−1)∫0xg(t)dt=1×2×1=2\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin2x}{x(e^x-1)}\int_0^xg(t)dt=1\times2\times1=2

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