수리논술, 이게 다다.

이학계열 2-1번

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문제

※ 다음 제시문을 읽고 물음에 대한 풀이 과정과 답을 제시하시오.(답만 기재하면 0점 처리)

가) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 열린구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 미분가능할 때, (a,b)\displaystyle (a,b)의 모든 x\displaystyle x에 대하여(1) f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 증가한다.(2) f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 감소한다.

나) 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 f(x)\displaystyle f(x)의 부정적분 중의 하나를 F(x)\displaystyle F(x)라고 하면 f(x)\displaystyle f(x)의 a\displaystyle a부터 b\displaystyle b까지의 정적분은∫abf(x) dx=[F(x)]ab=F(b)−F(a)\displaystyle \int_a^bf(x)\,dx=\Biggl[F(x)\Biggr]_a^b=F(b)-F(a)

다) 함수의 극한의 성질lim⁡x→af(x)=L\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=L, lim⁡x→ag(x)=M\displaystyle \lim_{x\to a}g(x)=M (L\displaystyle L, M\displaystyle M은 실수)일 때,(1) lim⁡x→acf(x)=cL\displaystyle \lim_{x\to a}cf(x)=cL (c\displaystyle c는 상수)(2) lim⁡x→a{f(x)+g(x)}=L+M\displaystyle \lim_{x\to a}\{f(x)+g(x)\}=L+M(3) lim⁡x→a{f(x)−g(x)}=L−M\displaystyle \lim_{x\to a}\{f(x)-g(x)\}=L-M(4) lim⁡x→af(x)g(x)=LM\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)g(x)=LM(5) lim⁡x→af(x)g(x)=LM\displaystyle \lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\frac{L}{M} (M≠0\displaystyle M\ne0)※ 함수의 극한의 성질은 x→a−\displaystyle x\to a-, x→a+\displaystyle x\to a+, x→∞\displaystyle x\to\infty, x→−∞\displaystyle x\to-\infty일 때도 성립한다.

[문제 2-1] 함수 f(x)=x∣(x−1)(x+1)∣\displaystyle f(x)=x|(x-1)(x+1)|에 대하여 다음 물음에 답하시오.

(1) 제시문 가)를 이용하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 증가와 감소를 조사하시오.

(2) 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 직선 y=k\displaystyle y=k가 만나는 점의 개수가 2\displaystyle 2일 때, 실수 k\displaystyle k의 값을 모두 구하시오.

해설강의 준비중

풀이) (1) (9점)

x<−1\displaystyle x<-1, −1≤x<1\displaystyle -1\leq x<1, x≥1\displaystyle x\geq1의 구간으로 나누어 증가하는 구간과 감소하는 구간을 찾을 수 있다.

+2점 · ⅰ) x<−1\displaystyle x<-1일 때

ⅰ) x<−1\displaystyle x<-1일 때,f(x)=x(x−1)(x+1)=x3−x\displaystyle f(x)=x(x-1)(x+1)=x^3-x이므로 f′(x)=3x2−1=3(x−13)(x+13)\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-1=3\left(x-\frac1{\sqrt3}\right)\left(x+\frac1{\sqrt3}\right)이다.이때 x<−1\displaystyle x<-1의 구간에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0.

xx⋯−1
f′(x)f^{\prime}(x)+ 
f(x)f(x)↗(0)
+2점 · ⅱ) −1≤x<1\displaystyle -1\leq x<1일 때

ⅱ) −1≤x<1\displaystyle -1\leq x<1일 때,f(x)=−x(x−1)(x+1)=−x3+x\displaystyle f(x)=-x(x-1)(x+1)=-x^3+x이므로 f′(x)=−3x2+1=−3(x−13)(x+13)\displaystyle f^{\prime}(x)=-3x^2+1=-3\left(x-\frac1{\sqrt3}\right)\left(x+\frac1{\sqrt3}\right)이다.

xx−1⋯−13-\frac1{\sqrt3}⋯13\frac1{\sqrt3}⋯1
f′(x)f^{\prime}(x) −0+0− 
f(x)f(x)0↘−239-\frac{2\sqrt3}{9}↗239\frac{2\sqrt3}{9}↘(0)
+2점 · ⅲ) x≥1\displaystyle x\geq1일 때

ⅲ) x≥1\displaystyle x\geq1일 때,f(x)=x(x−1)(x+1)=x3−x\displaystyle f(x)=x(x-1)(x+1)=x^3-x이므로 f′(x)=3x2−1=3(x−13)(x+13)\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-1=3\left(x-\frac1{\sqrt3}\right)\left(x+\frac1{\sqrt3}\right)이다.이때 x≥1\displaystyle x\geq1의 구간에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0.

Caution. 구간별로 다르게 정의된 함수에 주의해야 한다: 위 도함수식은 각각 −1<x<1\displaystyle -1<x<1, x>1\displaystyle x>1에서 적용해야 한다. 원함수 f(x)=x∣(x−1)(x+1)∣\displaystyle f(x)=x|(x-1)(x+1)|는 x=−1\displaystyle x=-1, x=1\displaystyle x=1에서 좌미분계수와 우미분계수가 달라 미분가능하지 않다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

xx1⋯
f′(x)f^{\prime}(x) +
f(x)f(x)0↗
+3점 · 증가하는 구간과 감소하는 구간

따라서 증가하는 구간은 (−∞,−1]\displaystyle (-\infty,-1], [−33,33]\displaystyle \left[-\frac{\sqrt3}{3},\frac{\sqrt3}{3}\right], [1,∞)\displaystyle [1,\infty)이고, 감소하는 구간은 [−1,−33]\displaystyle \left[-1,-\frac{\sqrt3}{3}\right], [33,1]\displaystyle \left[\frac{\sqrt3}{3},1\right]이다.

함수 f(x)의 그래프와 두 수평선
+3점 · 직선 y=k\displaystyle y=k와 y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 만나는 점의 개수가 2\displaystyle 2인 k\displaystyle k의 값

(2) (3점)오른쪽 그림과 같이 직선 y=k\displaystyle y=k와 y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 만나는 점의 개수가 2\displaystyle 2이므로 k=−239\displaystyle k=-\frac{2\sqrt3}{9}, k=239\displaystyle k=\frac{2\sqrt3}{9}이다.

하위문항채점기준배점
2-1 (1)절댓값을 이해하고, 함수의 증가와 감소, 극대와 극소를 판정하고 설명할 수 있다. - 절댓값을 포함한 함수의 그래프를 이해하여 구간에 따라 나눌 수 있다. 또한 미분을 활용하여 그래프의 개형 또는 증감표를 통해 증가하는 구간과 감소하는 구간을 구하면 (9점)9
2-1 (2)주어진 함수의 그래프와 직선이 만나는 점의 개수가 2\displaystyle 2개인 경우를 구할 수 있다. - 미분을 활용하여 그래프의 개형 또는 증감표를 통해 주어진 함수의 그래프와 직선이 만나는 점의 개수가 2\displaystyle 2개인 k\displaystyle k의 값을 구하면 (3점)3

◆ 증감표 대신 그래프 그린 경우 인정

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