수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] (35점) 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) a\displaystyle a를 포함하는 어떤 열린구간에서 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0이고 x\displaystyle x의 값이 a\displaystyle a보다 작은 값에서 a\displaystyle a보다 큰 값으로 바뀔 때(1) f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 양(+\displaystyle +)에서 음(−\displaystyle -)으로 바뀌면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극댓값을 가진다.(2) f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 음(−\displaystyle -)에서 양(+\displaystyle +)으로 바뀌면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극솟값을 가진다.

(나) 임의의 양의 실수 α (α≠2)\displaystyle \alpha\ (\alpha\neq2)에 대하여, 1+α2>2α\displaystyle 1+\frac{\alpha}{2}>\sqrt{2\alpha}이다.

(2-1) f(t)=cos⁡(t−1)sin⁡(t−2)sin⁡(t2)\displaystyle f(t)=\cos(t-1)\sin(t-2)\sin(t^2)이라 하자.(a) 열린구간 (0,3)\displaystyle (0,3)에서 f(t)=0\displaystyle f(t)=0이 되는 t\displaystyle t의 값을 모두 구하시오. (5점)(b) 열린구간 (0,3)\displaystyle (0,3)에서 정의된 함수 F(x)=∫0xf(t)dt\displaystyle F(x)=\int_0^x f(t)dt에 대하여, F(x)\displaystyle F(x)가 극댓값을 가지는 x\displaystyle x의 값과 극솟값을 가지는 x\displaystyle x의 값을 각각 모두 구하시오. (10점)

(2-2) g(t)=cos⁡(t2−1)sin⁡(t2−2)cos⁡2(t2−3)sin⁡2(t2−4)\displaystyle g(t)=\cos(t^2-1)\sin(t^2-2)\cos^2(t^2-3)\sin^2(t^2-4)라 하자.(a) 열린구간 (−π,π)\displaystyle (-\sqrt{\pi},\sqrt{\pi})에서 g(t)=0\displaystyle g(t)=0이 되는 t\displaystyle t의 값을 모두 구하시오. (5점)(b) 열린구간 (−π,π)\displaystyle (-\sqrt{\pi},\sqrt{\pi})에서 정의된 함수 G(x)=∫0xg(t)dt\displaystyle G(x)=\int_0^x g(t)dt에 대하여, G(x)\displaystyle G(x)가 극댓값을 가지는 x\displaystyle x의 값과 극솟값을 가지는 x\displaystyle x의 값을 각각 모두 구하시오. (15점)

해설강의 준비중
+5점 · 해를 모두 찾으면

(2-1) (a) cos⁡(t−1)sin⁡(t−2)sin⁡(t2)=0\displaystyle \cos(t-1)\sin(t-2)\sin(t^2)=0이므로 cos⁡(t−1)=0\displaystyle \cos(t-1)=0, sin⁡(t−2)=0\displaystyle \sin(t-2)=0 또는 sin⁡(t2)=0\displaystyle \sin(t^2)=0이다. 따라서 t−1=±π2+2nπ\displaystyle t-1=\pm\frac{\pi}{2}+2n\pi, t−2=nπ\displaystyle t-2=n\pi 또는 t2=nπ\displaystyle t^2=n\pi (n\displaystyle n은 정수)꼴이 되어야 한다.0<t<3\displaystyle 0<t<3이므로 −1<t−1<2\displaystyle -1<t-1<2, −2<t−2<1\displaystyle -2<t-2<1, 0<t2<9\displaystyle 0<t^2<9이다. 따라서 범위 내에서 함숫값이 0\displaystyle 0이 되는 t\displaystyle t의 값들은 1+π2\displaystyle 1+\frac{\pi}{2}, 2\displaystyle 2, π\displaystyle \sqrt{\pi}, 2π\displaystyle \sqrt{2\pi}이다.

+8점 · π\displaystyle \sqrt{\pi}, 2\displaystyle 2, 2π\displaystyle \sqrt{2\pi}, 1+π2\displaystyle 1+\frac{\pi}{2}의 좌우에서 F(x)\displaystyle F(x)의 부호 변화를 맞게 서술하면

Correction. 극대·극소를 판정할 때 살피는 것은 도함수의 부호 변화다. 채점기준의 F(x)\displaystyle F(x), G(x)\displaystyle G(x)는 각각 F′(x)\displaystyle F^{\prime}(x), G′(x)\displaystyle G^{\prime}(x)의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(b) F(x)=∫0xcos⁡(t−1)sin⁡(t−2)sin⁡(t2)dt\displaystyle F(x)=\int_0^x\cos(t-1)\sin(t-2)\sin(t^2)dt를 미분하면F′(x)=f(x)=cos⁡(x−1)sin⁡(x−2)sin⁡(x2)\displaystyle F^{\prime}(x)=f(x)=\cos(x-1)\sin(x-2)\sin(x^2)이고, 범위 내에서 이 값이 0\displaystyle 0이 되는 x\displaystyle x의 값들을 순서대로 나열하면 π\displaystyle \sqrt{\pi}, 2\displaystyle 2, 2π\displaystyle \sqrt{2\pi}, 1+π2\displaystyle 1+\frac{\pi}{2}이다. (제시문 (나)에 의하여 1+π2>2π\displaystyle 1+\frac{\pi}{2}>\sqrt{2\pi}이다.)이제 각 값에 대하여 그 값의 좌우에서 cos⁡(x−1)\displaystyle \cos(x-1), sin⁡(x−2)\displaystyle \sin(x-2), sin⁡(x2)\displaystyle \sin(x^2)의 부호를 관찰하자. π2\displaystyle \frac{\pi}{2}의 좌우에서 코사인함수의 부호가 양에서 음으로 바뀌고 0\displaystyle 0의 좌우에서 사인함수의 부호가 음에서 양으로, π\displaystyle \pi의 좌우에서 사인함수의 부호가 양에서 음으로 바뀐다. 그러므로x⋯π⋯2⋯2π⋯1+π2⋯cos⁡(x−1)+++++++0−sin⁡(x−2)−−−0+++++sin⁡(x2)+0−−−0+++f(x)−0+0−0+0−\displaystyle \begin{array}{c|ccccccccc}x&\cdots&\sqrt{\pi}&\cdots&2&\cdots&\sqrt{2\pi}&\cdots&1+\frac{\pi}{2}&\cdots\\\hline\cos(x-1)&+&+&+&+&+&+&+&0&-\\\sin(x-2)&-&-&-&0&+&+&+&+&+\\\sin(x^2)&+&0&-&-&-&0&+&+&+\\\hline f(x)&-&0&+&0&-&0&+&0&-\end{array}

+2점 · F(x)\displaystyle F(x)가 극댓값, 극솟값을 갖는 점을 모두 찾으면

그러므로 제시문 (가)에 의해 함수 F(x)\displaystyle F(x)는 π\displaystyle \sqrt{\pi}, 2π\displaystyle \sqrt{2\pi}에서 극솟값을, 2\displaystyle 2, 1+π2\displaystyle 1+\frac{\pi}{2}에서 극댓값을 갖는다.

+5점 · 해를 모두 찾으면

(2-2) (a) −π<t<π\displaystyle -\sqrt{\pi}<t<\sqrt{\pi}이므로 0≤t2<π\displaystyle 0\le t^2<\pi이고, 따라서 −n≤t2−n<π−n\displaystyle -n\le t^2-n<\pi-n이다. 범위를 고려하여 각 항이 0\displaystyle 0이 되는 t\displaystyle t의 값을 찾으면 다음과 같다.cos⁡(t2−1)=0 ⇔ t2−1=π2 ⇔ t=±1+π2\displaystyle \cos(t^2-1)=0\ \Leftrightarrow\ t^2-1=\frac{\pi}{2}\ \Leftrightarrow\ t=\pm\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}sin⁡(t2−2)=0 ⇔ t2−2=0 ⇔ t=±2\displaystyle \sin(t^2-2)=0\ \Leftrightarrow\ t^2-2=0\ \Leftrightarrow\ t=\pm\sqrt{2}cos⁡(t2−3)=0 ⇔ t2−3=−π2 ⇔ t=±3−π2\displaystyle \cos(t^2-3)=0\ \Leftrightarrow\ t^2-3=-\frac{\pi}{2}\ \Leftrightarrow\ t=\pm\sqrt{3-\frac{\pi}{2}}sin⁡(t2−4)=0 ⇔ t2−4=−π ⇔ t=±4−π\displaystyle \sin(t^2-4)=0\ \Leftrightarrow\ t^2-4=-\pi\ \Leftrightarrow\ t=\pm\sqrt{4-\pi}즉, 해는 t=±1+π2\displaystyle t=\pm\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}, ±2\displaystyle \pm\sqrt{2}, ±3−π2\displaystyle \pm\sqrt{3-\frac{\pi}{2}}, ±4−π\displaystyle \pm\sqrt{4-\pi}이다.

(2-2) (b) G(x)=∫0xcos⁡(t2−1)sin⁡(t2−2)cos⁡2(t2−3)sin⁡2(t2−4)dt\displaystyle G(x)=\int_0^x\cos(t^2-1)\sin(t^2-2)\cos^2(t^2-3)\sin^2(t^2-4)dt를 미분하면G′(x)=g(x)=cos⁡(x2−1)sin⁡(x2−2)cos⁡2(x2−3)sin⁡2(x2−4)\displaystyle G^{\prime}(x)=g(x)=\cos(x^2-1)\sin(x^2-2)\cos^2(x^2-3)\sin^2(x^2-4)이다. 이 함수의 값이 0\displaystyle 0이 되는 점들의 좌우에서의 G′(x)\displaystyle G^{\prime}(x)의 부호를 관찰하자.

+8점 · ±1+π2\displaystyle \pm\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}, ±2\displaystyle \pm\sqrt{2}의 좌우에서 G(x)\displaystyle G(x)의 부호 변화를 맞게 서술하면

Correction. 극대·극소를 판정할 때 살피는 것은 도함수의 부호 변화다. 채점기준의 F(x)\displaystyle F(x), G(x)\displaystyle G(x)는 각각 F′(x)\displaystyle F^{\prime}(x), G′(x)\displaystyle G^{\prime}(x)의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

1) x=−1+π2\displaystyle x=-\sqrt{1+\frac{\pi}{2}} 또는 x=1+π2\displaystyle x=\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}인 경우.cos⁡2(x2−3)sin⁡2(x2−4)\displaystyle \cos^2(x^2-3)\sin^2(x^2-4)의 부호는 이 점들의 근방에서 항상 양수이므로, cos⁡(x2−1)\displaystyle \cos(x^2-1)과 sin⁡(x2−2)\displaystyle \sin(x^2-2)의 부호만 고려하면 된다. x2−2=π2−1\displaystyle x^2-2=\frac{\pi}{2}-1이므로 이 점들의 근방에서 sin⁡(x2−2)\displaystyle \sin(x^2-2)의 값은 양수이다.x=−1+π2\displaystyle x=-\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}의 좌우에서 x2−1\displaystyle x^2-1은 π2\displaystyle \frac{\pi}{2}보다 큰 값에서 작은 값으로 변하고, cos⁡(x2−1)\displaystyle \cos(x^2-1)은 음수에서 양수로 변한다.x=1+π2\displaystyle x=\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}의 좌우에서 x2−1\displaystyle x^2-1은 π2\displaystyle \frac{\pi}{2}보다 작은 값에서 큰 값으로 변하고, cos⁡(x2−1)\displaystyle \cos(x^2-1)은 양수에서 음수로 변한다.그러므로 제시문 (가)에 의해 x=−1+π2\displaystyle x=-\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}에서 극솟값을 갖고, x=1+π2\displaystyle x=\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}에서 극댓값을 갖는다.x⋯−1+π2⋯1+π2⋯cos⁡(x2−1)−0+0−sin⁡(x2−2)+++++cos⁡2(x2−3)sin⁡2(x2−4)+++++g(x)−0+0−\displaystyle \begin{array}{c|ccccc}x&\cdots&-\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}&\cdots&\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}&\cdots\\\hline\cos(x^2-1)&-&0&+&0&-\\\sin(x^2-2)&+&+&+&+&+\\\cos^2(x^2-3)\sin^2(x^2-4)&+&+&+&+&+\\\hline g(x)&-&0&+&0&-\end{array}

2) x=−2\displaystyle x=-\sqrt{2} 또는 x=2\displaystyle x=\sqrt{2}인 경우.cos⁡2(x2−3)sin⁡2(x2−4)\displaystyle \cos^2(x^2-3)\sin^2(x^2-4)의 부호는 이 점들의 근방에서 항상 양수이므로, cos⁡(x2−1)\displaystyle \cos(x^2-1)과 sin⁡(x2−2)\displaystyle \sin(x^2-2)의 부호만 고려하면 된다. x2−1=1\displaystyle x^2-1=1이므로 이 점들의 근방에서 cos⁡(x2−1)\displaystyle \cos(x^2-1)의 값은 양수이다.x=−2\displaystyle x=-\sqrt{2}의 좌우에서 x2−2\displaystyle x^2-2는 0\displaystyle 0보다 큰 값에서 작은 값으로 변하고, sin⁡(x2−2)\displaystyle \sin(x^2-2)는 양수에서 음수로 변한다.x=2\displaystyle x=\sqrt{2}의 좌우에서 x2−2\displaystyle x^2-2는 0\displaystyle 0보다 작은 값에서 큰 값으로 변하고, sin⁡(x2−2)\displaystyle \sin(x^2-2)는 음수에서 양수로 변한다.그러므로 제시문 (가)에 의해 x=−2\displaystyle x=-\sqrt{2}에서 극댓값을 갖고, x=2\displaystyle x=\sqrt{2}에서 극솟값을 갖는다.x⋯−2⋯2⋯cos⁡(x2−1)+++++sin⁡(x2−2)+0−0+cos⁡2(x2−3)sin⁡2(x2−4)+++++g(x)+0−0+\displaystyle \begin{array}{c|ccccc}x&\cdots&-\sqrt{2}&\cdots&\sqrt{2}&\cdots\\\hline\cos(x^2-1)&+&+&+&+&+\\\sin(x^2-2)&+&0&-&0&+\\\cos^2(x^2-3)\sin^2(x^2-4)&+&+&+&+&+\\\hline g(x)&+&0&-&0&+\end{array}

+4점 · ±3−π2\displaystyle \pm\sqrt{3-\frac{\pi}{2}}, ±4−π\displaystyle \pm\sqrt{4-\pi}의 좌우에서 G(x)\displaystyle G(x)의 부호 변화가 없음을 설명하면

3) x=3−π2\displaystyle x=\sqrt{3-\frac{\pi}{2}} 또는 x=−3−π2\displaystyle x=-\sqrt{3-\frac{\pi}{2}}인 경우.이 점들의 좌우에서 cos⁡2(x2−3)\displaystyle \cos^2(x^2-3)의 값은 항상 양수이므로, 함숫값의 부호가 바뀌지 않는다. 따라서 이 점들에서 극댓값이나 극솟값을 갖지 않는다.4) x=4−π\displaystyle x=\sqrt{4-\pi} 또는 x=−4−π\displaystyle x=-\sqrt{4-\pi}인 경우.이 점들의 좌우에서 sin⁡2(x2−4)\displaystyle \sin^2(x^2-4)의 값은 항상 양수이므로, 함숫값의 부호가 바뀌지 않는다. 따라서 이 점들에서 극댓값이나 극솟값을 갖지 않는다.

+3점 · G(x)\displaystyle G(x)가 극댓값, 극솟값을 갖는 점을 모두 찾으면

따라서 G(x)\displaystyle G(x)가 극댓값을 갖는 점은 1+π2\displaystyle \sqrt{1+\frac{\pi}{2}}, −2\displaystyle -\sqrt{2}이고, 극솟값을 갖는 점은 −1+π2\displaystyle -\sqrt{1+\frac{\pi}{2}}, 2\displaystyle \sqrt{2}이다.

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