수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · 삼각함수 성질 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 주기

1. f(x)=12sinx12cosx\displaystyle f(x)=\frac1{2-\sin x}-\frac1{2-\cos x}함수 f(x)\displaystyle f(x)에서sin(x)=sin(x+2π), cos(x)=cos(x+2π)\displaystyle \sin(x)=\sin(x+2\pi),\ \cos(x)=\cos(x+2\pi)로 부터 f(x)=f(x+2π)\displaystyle f(x)=f(x+2\pi)임을 알 수 있다.

+10점 · 최소주기임을 보였는가?

θ=2π\displaystyle \theta=2\pi가 최소임을 보이자.우선 f(x)=0\displaystyle f(x)=0인 되는 x\displaystyle x를 구하여 보면 (그래프개형에서 x\displaystyle x축과 만나는 점을 모두 구해보면)f(x)=12sinx12cosx=sinxcosx(2sinx)(2cosx)=0\displaystyle f(x)=\frac1{2-\sin x}-\frac1{2-\cos x}=\frac{\sin x-\cos x}{(2-\sin x)(2-\cos x)}=0에서분모는 항상 0 보다 크므로 분자 sinxcosx=0\displaystyle \sin x-\cos x=0인 해를 구하자.sinx=cosx\displaystyle \sin x=\cos x을 만족하는 x\displaystyle xπ4±nπ, n=,2,1,0,1,2,\displaystyle \frac\pi4\pm n\pi,\ n=\cdots,-2,-1,0,1,2,\cdotsf(x)=0\displaystyle f(x)=0인 되는 x\displaystyle x,11π4,7π4,3π4,π4,5π4,9π4,\displaystyle \cdots,-\frac{11\pi}4,-\frac{7\pi}4,-\frac{3\pi}4,\frac\pi4,\frac{5\pi}4,\frac{9\pi}4,\cdots가능성 있는 주기는 π\displaystyle \pi2π\displaystyle 2\pi이다.모든 x\displaystyle x에 대해서 f(x)=f(x+2π)\displaystyle f(x)=f(x+2\pi)이 만족됨을 보였으므로주기가 π\displaystyle \pi가 아님을 보이면 된다.주기 θ\displaystyle \thetaθ=π\displaystyle \theta=\pi이라면θ=π\displaystyle \theta=\pi인 경우는 f(x+π)=12+sinx12+cosx\displaystyle f(x+\pi)=\frac1{2+\sin x}-\frac1{2+\cos x}모든 x\displaystyle x에 대해서f(x)=sinxcosx(2sinx)(2cosx)=sinx+cosx(2+sinx)(2+cosx)=f(x+π)\displaystyle f(x)=\frac{\sin x-\cos x}{(2-\sin x)(2-\cos x)}=\frac{-\sin x+\cos x}{(2+\sin x)(2+\cos x)}=f(x+\pi)를 만족해야 한다.sinxcosx(2sinx)(2cosx)=sinx+cosx(2+sinx)(2+cosx)\displaystyle \frac{\sin x-\cos x}{(2-\sin x)(2-\cos x)}=\frac{-\sin x+\cos x}{(2+\sin x)(2+\cos x)}를 정리하면(sinxcosx){(2sinx)(2cosx)+(2+sinx)(2+cosx)}(2sinx)(2cosx)(2+sinx)(2+cosx)=0\displaystyle \frac{(\sin x-\cos x)\{(2-\sin x)(2-\cos x)+(2+\sin x)(2+\cos x)\}}{(2-\sin x)(2-\cos x)(2+\sin x)(2+\cos x)}=0는 모든 x\displaystyle x에 대해서 만족하지 않는다.이유는 분모는 항상 0 보다 크고분자가 (sinxcosx){(2sinx)(2cosx)+(2+sinx)(2+cosx)}\displaystyle (\sin x-\cos x)\{(2-\sin x)(2-\cos x)+(2+\sin x)(2+\cos x)\}에서모든 x\displaystyle x에 대해서 (2sinx)(2cosx)+(2+sinx)(2+cosx)>0\displaystyle (2-\sin x)(2-\cos x)+(2+\sin x)(2+\cos x)>0이므로모든 x\displaystyle x에 대해서 f(x)=f(x+π)\displaystyle f(x)=f(x+\pi)이 만족되지 않는다.따라서 주기가 π\displaystyle \pi일 수 없다.

[별해]도함수 f(x)=cosx(2sinx)2+sinx(2cosx)2\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{\cos x}{(2-\sin x)^2}+\frac{\sin x}{(2-\cos x)^2}이므로 7π4,3π4,π4,5π4\displaystyle -\frac{7\pi}4,-\frac{3\pi}4,\frac\pi4,\frac{5\pi}4에서f(x)\displaystyle f(x)의 기울기를 고려하면f(π/4)=cos(π/4)(2sin(π/4))2+sin(π/4)(2cos(π/4))2=cos(7π/4)(2sin(7π/4))2+sin(7π/4)(2cos(7π/4))2=f(7π/4)>0\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(\pi/4)&=\frac{\cos(\pi/4)}{(2-\sin(\pi/4))^2}+\frac{\sin(\pi/4)}{(2-\cos(\pi/4))^2}\\&=\frac{\cos(-7\pi/4)}{(2-\sin(-7\pi/4))^2}+\frac{\sin(-7\pi/4)}{(2-\cos(-7\pi/4))^2}=f^{\prime}(-7\pi/4)>0\end{aligned}이고f(5π/4)=cos(5π/4)(2sin(5π/4))2+sin(5π/4)(2cos(5π/4))2=cos(3π/4)(2sin(3π/4))2+sin(3π/4)(2cos(3π/4))2=f(3π/4)<0\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(5\pi/4)&=\frac{\cos(5\pi/4)}{(2-\sin(5\pi/4))^2}+\frac{\sin(5\pi/4)}{(2-\cos(5\pi/4))^2}\\&=\frac{\cos(-3\pi/4)}{(2-\sin(-3\pi/4))^2}+\frac{\sin(-3\pi/4)}{(2-\cos(-3\pi/4))^2}=f^{\prime}(-3\pi/4)<0\end{aligned}이므로정리하면, 그래프가 x\displaystyle x축과 만나는 점에서의 기울기가 같아지게 되는f(x)=f(x+θ)=0\displaystyle f(x)=f(x+\theta)=0이고 f(x)=f(x+θ)\displaystyle f^{\prime}(x)=f^{\prime}(x+\theta)를 만족하는 최소의 θ\displaystyle \theta2π\displaystyle 2\pi보다 작은 값에서는 존재하지 않는다는 것을 알 수 있다.2π\displaystyle 2\pi보다 작은 값에서 모든 실수 x\displaystyle x에 대해 f(x)=f(x+θ)\displaystyle f(x)=f(x+\theta)를 만족시키는 θ\displaystyle \theta가 존재하지 않음을 알 수 있다.최소주기는 2π\displaystyle 2\pi이다.

+20점 · 방정식 sinxcosx=0\displaystyle \sin x-\cos x=0을 유도하였는가?

2. 방정식 f(x)=g(x)\displaystyle f(x)=g(x)를 만족하는 해 x\displaystyle x를 모두 구하시오.f(x)=12sinx12cosx=24sin2x24cos2x=g(x)\displaystyle f(x)=\frac1{2-\sin x}-\frac1{2-\cos x}=\frac2{4-\sin^2x}-\frac2{4-\cos^2x}=g(x)(2+sinx)(4cos2x)(4sin2x)(2+cosx)2(4cos2x)+2(4sin2x)(4sin2x)(4cos2x)=0\displaystyle \frac{(2+\sin x)(4-\cos^2x)-(4-\sin^2x)(2+\cos x)-2(4-\cos^2x)+2(4-\sin^2x)}{(4-\sin^2x)(4-\cos^2x)}=0분모는 0 이 아니므로(2+sinx)(4cos2x)(4sin2x)(2+cosx)2(4cos2x)+2(4sin2x)=0\displaystyle (2+\sin x)(4-\cos^2x)-(4-\sin^2x)(2+\cos x)-2(4-\cos^2x)+2(4-\sin^2x)=0을 만족하는 x\displaystyle x를 구하면 된다.분자 : 4sinxsinxcos2x3cosxcos3x=0\displaystyle 4\sin x-\sin x\cos^2x-3\cos x-\cos^3x=0=> (sinxcosx)(4+sinxcosx)=0\displaystyle (\sin x-\cos x)(4+\sin x\cos x)=0

+10점 · 방정식의 해를 모두 구하였는가?

sinxcosx=0\displaystyle \sin x-\cos x=0을 만족하는 x\displaystyle x±nπ+π4, n=0,1,2,\displaystyle \pm n\cdot\pi+\frac\pi4,\ n=0,1,2,\cdots

+10점 · 도함수 g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)형태를 올바로 구하였는가?

3. 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 최댓값과 최솟값을 구하시오.g(x)=4sinxcosx(1(4sin2x)2+1(4cos2x)2)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=4\sin x\cos x\left(\frac1{(4-\sin^2x)^2}+\frac1{(4-\cos^2x)^2}\right)=0의 해를 구하면

+10점 · 극점들을 찾았는가?

(1(4sin2x)2+1(4cos2x)2)>0\displaystyle \left(\frac1{(4-\sin^2x)^2}+\frac1{(4-\cos^2x)^2}\right)>0이므로 sinxcosx=0\displaystyle \sin x\cos x=0을 만족하는 x\displaystyle x들이 극점이 된다.sinxcosx=0\displaystyle \sin x\cos x=0을 만족하는 x\displaystyle x±nπ2, n=0,1,2,\displaystyle \pm n\frac\pi2,\ n=0,1,2,\cdots

+10점 · 극점들중 어디서 최대값 최소값을 갖는지 확인하였는가?

최댓값은 n\displaystyle n이 홀수 일 때, g(x)=16\displaystyle g(x)=\frac16최솟값은 n\displaystyle n이 0과 짝수 일 때, g(x)=16\displaystyle g(x)=-\frac16

+20점 · 부등식 f(x)<g(x)\displaystyle f(x)<g(x)임을 보였는가? * 2번 문제와 연관되어있음

4. 부등식 0π4f(x)dx<0π4g(x)dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi4}f(x)\,dx<\int_0^{\frac\pi4}g(x)\,dx이 만족됨을 설명하시오.문제 1-2에서f(x)g(x)=(sinxcosx)(4+sinxcosx)(4sin2x)(4cos2x)\displaystyle f(x)-g(x)=\frac{(\sin x-\cos x)(4+\sin x\cos x)}{(4-\sin^2x)(4-\cos^2x)}이므로분모는 항상 0보다 크고분자 (sinxcosx)(4+sinxcosx)\displaystyle (\sin x-\cos x)(4+\sin x\cos x)는 구간 [0,π4)\displaystyle \left[0,\frac\pi4\right)에서 0보다 작고 x=π4\displaystyle x=\frac\pi4에서 0이다.따라서 구간 [0,π4)\displaystyle \left[0,\frac\pi4\right)에서 f(x)g(x)<0\displaystyle f(x)-g(x)<0이므로, 0π4{f(x)g(x)}dx<0\displaystyle \int_0^{\frac\pi4}\{f(x)-g(x)\}\,dx<0이고0π4f(x)dx<0π4g(x)dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi4}f(x)\,dx<\int_0^{\frac\pi4}g(x)\,dx이 성립한다.혹은 그림으로 설명

0≤x≤π/4에서 f(x)와 g(x)의 그래프

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