수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · 음함수의 미분법을 이용하여 f(x)\displaystyle f ( x )의 미분값을 계산하였다.

1. 음함수의 미분법에 의해 (3y2+6y+4)y=1\displaystyle ( 3 y^{2} + 6 y + 4 ) y^{\prime} = 1, 즉 y=13y2+6y+4=13(y+1)2+1>0\displaystyle y^{\prime} = \frac{1}{3 y^{2} + 6 y + 4} = \frac{1}{3 ( y + 1 )^{2} + 1} > 0이다.

+10점 · f(x)\displaystyle f ( x )가 일대일 함수임을 설명하였다.

따라서 함수 f(x)\displaystyle f ( x )는 증가함수이고 일대일 함수이다.

+10점 · g(x)\displaystyle g ( x )h(x)\displaystyle h ( x )가 한 점에서 만날 조건을 제시하였다.

2. 함수 g(x)\displaystyle g ( x )h(x)\displaystyle h ( x )가 한 점에서 만날 조건은 함수 g(x)\displaystyle g ( x )가 함수 y=x\displaystyle y = x와 만날 조건과 동치이다.

+10점 · g(x)\displaystyle g ( x )가 정의역에서 해를 가질 조건을 어떤 삼차 방정식이 해를 가질 조건과 같음을 보였다.

g(x)\displaystyle g(x)의 정의에 의해g(x)3+3g(x)2+4g(x)+1=f(x+k)3+3f(x+k)2+4f(x+k)+1=x+k\displaystyle g(x)^3+3g(x)^2+4g(x)+1=f(x+k)^3+3f(x+k)^2+4f(x+k)+1=x+k이므로, g(x)=x\displaystyle g(x)=xg(x)\displaystyle g(x)의 정의역 {xxk}\displaystyle \{x\mid x\ge-k\}에서 해를 가질 조건은 삼차 방정식 x3+3x2+4x+1=x+k\displaystyle x^3+3x^2+4x+1=x+k, 즉, x3+3x2+3x+(1k)=0\displaystyle x^3+3x^2+3x+(1-k)=0{xxk}\displaystyle \{x\mid x\ge-k\}에서 해를 가질 조건과 같다.

+20점 · 미분법을 활용하여 구하는 소수점 아래 첫째자리가 3\displaystyle 3임을 보였다.

p(x)=x3+3x2+3x+(1k)\displaystyle p(x)=x^3+3x^2+3x+(1-k) (xk\displaystyle x\ge-k)라 두자. p(x)=3x2+6x+3=3(x+1)20\displaystyle p^{\prime}(x)=3x^2+6x+3=3(x+1)^2\ge0이므로 p(x)\displaystyle p(x)는 증가함수이다. 따라서 p(x)=0\displaystyle p(x)=0이고 xk\displaystyle x\ge-kx\displaystyle x가 한 개 이상 존재하기 위해서는 p(k)=k3+3k24k+10\displaystyle p(-k)=-k^3+3k^2-4k+1\le0이어야만 한다. q(k)=k3+3k24k+1\displaystyle q(k)=-k^3+3k^2-4k+1이라 두면, q(k)=3k2+6k4=3(k1)210\displaystyle q^{\prime}(k)=-3k^2+6k-4=-3(k-1)^2-1\le0이므로 감소함수이다. 그런데 q(0.3)=0.043>0\displaystyle q(0.3)=0.043>0이고 q(0.4)=0.184<0\displaystyle q(0.4)=-0.184<0이므로 q(k)0\displaystyle q(k)\le0k\displaystyle k의 최솟값은 0.3\displaystyle 0.3\cdots이다. 따라서 구하는 답은 3이다.

+10점 · 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}R\displaystyle \mathrm{R}의 좌표를 계산하였다.

3. 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x ) 위의 점 Q(1,1)\displaystyle \mathrm{Q} \left( - 1 , - 1 \right)에서 그은 접선의 방정식은 y=f(1)(x+1)1=x\displaystyle y = f^{\prime} ( - 1 ) ( x + 1 ) - 1 = - x이다. 따라서 R\displaystyle \mathrm{R}의 좌표는 (0,0)\displaystyle \left( 0 , 0 \right)이다.Correction. 접선의 방정식 끝에 쓴 x\displaystyle -xx\displaystyle x의 오기이다. f(1)=1\displaystyle f^{\prime}(-1)=1이므로 접선은 y=x\displaystyle y=x이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+15점 · 선분 PR\displaystyle \mathrm{PR}, 선분 QR\displaystyle \mathrm{QR}와 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )에 의해 둘러싸인 영역의 넓이를 a\displaystyle a에 대한 4\displaystyle 4차식으로 표현하였다.

한편, f(x)\displaystyle f ( x )의 역함수를 r(x)\displaystyle r ( x )라 하면 r(x)=x3+3x2+4x+1\displaystyle r ( x ) = x^{3} + 3 x^{2} + 4 x + 1이다. 또한 r(x)x\displaystyle r ( x ) \ge x(x+1)30\displaystyle ( x + 1 )^{3} \ge 0과 동치이므로 구간 [1,0]\displaystyle [ - 1 , 0 ]에서 r(x)x\displaystyle r ( x ) \ge x, 즉 xf(x)\displaystyle x \ge f ( x )가 성립한다. 이로부터 S\displaystyle \mathrm{S}를 좌표가 (0,1)\displaystyle \left( 0 , - 1 \right)인 점이라 하면(선분 PR, 선분 QR와 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)에 의해 둘러싸인 영역의 넓이)=\displaystyle = (삼각형 QRS의 넓이) 1ar(x)dx=1211+1a(x3+3x2+4x+1)dx\displaystyle -\int_{-1}^a|r(x)|\,dx=\frac12\cdot1\cdot1+\int_{-1}^a(x^3+3x^2+4x+1)\,dx=a44+a3+2a2+a+14\displaystyle =\frac{a^4}4+a^3+2a^2+a+\frac14.

+15점 · 선분 PR\displaystyle \mathrm{PR}, 선분 QR\displaystyle \mathrm{QR}와 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )에 의해 둘러싸인 영역의 넓이를 a\displaystyle a에 대한 2\displaystyle 2차식으로 표현하였다.

그런데 a\displaystyle a의 정의에 의해 a3+3a2+4a+1=0\displaystyle a^{3} + 3 a^{2} + 4 a + 1 = 0가 성립하므로,a44+a3+2a2+a+14=14(a3+4a2+3a+1)=14(a2a)\displaystyle \frac{a^{4}}{4} + a^{3} + 2 a^{2} + a + \frac{1}{4} = \frac{1}{4} ( a^{3} + 4 a^{2} + 3 a + 1 ) = \frac{1}{4} ( a^{2} - a )이다. 정리하면(선분 PR\displaystyle \mathrm{PR}, 선분 QR\displaystyle \mathrm{QR}와 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )에 의해 둘러싸인 영역의 넓이)=14(a2a)\displaystyle = \frac{1}{4} ( a^{2} - a )를 얻는다.

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