수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후) 2번

문제

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해설강의 준비중
+20점 · 주어진 조건들과 미분 및 극한의 성질을 이용하여, 주어진 3차 다항식의 계수들의 관계를 유추하고, 조건 (다)를 이용하여 최고차항의 계수를 올바르게 결정하면, 높은 점수를 부여함

2-1) 삼차함수 f(x)=ax3+bx2+cx+d\displaystyle f(x)=ax^3+bx^2+cx+d라고 하자. (a>0)\displaystyle (a>0)조건 (가)로부터 f(23)=6a×23+2b=0\displaystyle f^{\prime\prime}\left(\frac23\right)=6a\times\frac23+2b=0이고, b=2a\displaystyle b=-2a를 얻는다.조건 (나)로부터 g(x)={xf(x)+f(x)(x0)(1x)ex+cosx(x<0)\displaystyle g(x)=\begin{cases}xf^{\prime}(x)+f(x)&(x\ge0)\\(1-x)e^{-x}+\cos x&(x<0)\end{cases}x=0\displaystyle x=0에서 미분가능하기 위해서는 x=0\displaystyle x=0에서 연속이어야 하므로 f(0)=2\displaystyle f(0)=2를 얻는다.limh0g(h)g(0)h\displaystyle \lim_{h\to0}\frac{g(h)-g(0)}h가 존재하기 위해서는 limh0+g(h)g(0)h\displaystyle \lim_{h\to0+}\frac{g(h)-g(0)}hlimh0g(h)g(0)h\displaystyle \lim_{h\to0-}\frac{g(h)-g(0)}h값이 같아야 한다.limh0+g(h)g(0)h=limh0+hf(h)h+limh0+f(h)f(0)h=2f(0),\displaystyle \lim_{h\to0+}\frac{g(h)-g(0)}h=\lim_{h\to0+}\frac{hf^{\prime}(h)}h+\lim_{h\to0+}\frac{f(h)-f(0)}h=2f^{\prime}(0),limh0g(h)g(0)h=limh0(1h)eh+cos(h)2h=limh0cos(h)1h+limh0eh1hlimh0hehh=2\displaystyle \begin{aligned}\lim_{h\to0-}\frac{g(h)-g(0)}h&=\lim_{h\to0-}\frac{(1-h)e^{-h}+\cos(h)-2}h\\&=\lim_{h\to0-}\frac{\cos(h)-1}h+\lim_{h\to0-}\frac{e^{-h}-1}h-\lim_{h\to0-}\frac{he^{-h}}h=-2\end{aligned}에서 f(0)=1\displaystyle f^{\prime}(0)=-1을 얻는다.따라서, 위에서 얻어진 조건 b=2a, f(0)=2, f(0)=1\displaystyle b=-2a,\ f(0)=2,\ f^{\prime}(0)=-1로부터f(x)=ax32ax2x+2\displaystyle f(x)=ax^3-2ax^2-x+2가 된다.곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 한 점 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))에서의 접선의 방정식은 y=f(t)(xt)+f(t)\displaystyle y=f^{\prime}(t)(x-t)+f(t)가 되고, 이 접선이 (0,k)\displaystyle (0,k)를 지난다는 조건을 활용하면 k=2at3+2at2+2\displaystyle k=-2at^3+2at^2+2를 얻는다.조건 (다)로부터 k2a=2t3+2t2\displaystyle \frac{k-2}a=-2t^3+2t^2을 만족시키는 서로 다른 t\displaystyle t가 세 개 존재하여야 한다.서로 다른 t\displaystyle t가 세 개 존재하는 k\displaystyle k의 범위는 0<k2a<827\displaystyle 0<\frac{k-2}a<\frac8{27}이 되고조건 (다)의 k\displaystyle k의 범위는 0<k2<827\displaystyle 0<k-2<\frac8{27}이므로, a=1\displaystyle a=1을 얻는다.따라서, f(x)=x32x2x+2\displaystyle f(x)=x^3-2x^2-x+2를 얻는다.

+10점 · 삼차함수의 그래프의 개형을 통하여 주어진 정적분의 구간을 나누고, 치환적분법을 이용하여 정적분의 값을 올바르게 구하면 높은 점수를 부여함

2-2) F(x)=f(x)\displaystyle F^{\prime}(x)=|f(x)|이고 f(x)={f(x)(0x<1)f(x)(1x2)\displaystyle |f(x)|=\begin{cases}f(x)&(0\le x<1)\\-f(x)&(1\le x\le2)\end{cases}이므로02f(x)eF(x)dx=01f(x)eF(x)dx+12f(x)eF(x)dx=01F(x)eF(x)dx12F(x)eF(x)dx=[eF(x)]01[eF(x)]12=eF(1)eF(0)(eF(2)eF(1))=2eF(1)eF(0)eF(2)\displaystyle \begin{aligned}\int_0^2f(x)e^{F(x)}dx&=\int_0^1f(x)e^{F(x)}dx+\int_1^2f(x)e^{F(x)}dx\\&=\int_0^1F^{\prime}(x)e^{F(x)}dx-\int_1^2F^{\prime}(x)e^{F(x)}dx\\&=\Biggl[e^{F(x)}\Biggr]_0^1-\Biggl[e^{F(x)}\Biggr]_1^2=e^{F(1)}-e^{F(0)}-(e^{F(2)}-e^{F(1)})=2e^{F(1)}-e^{F(0)}-e^{F(2)}\end{aligned}이때 F(0)=0, F(1)=01f(t)dt=1312, F(2)=01f(t)dt12f(t)dt=32\displaystyle F(0)=0,\ F(1)=\int_0^1f(t)\,dt=\frac{13}{12},\ F(2)=\int_0^1f(t)\,dt-\int_1^2f(t)\,dt=\frac32이므로2eF(1)eF(0)eF(2)=2e13121e32\displaystyle 2e^{F(1)}-e^{F(0)}-e^{F(2)}=2e^{\frac{13}{12}}-1-e^{\frac32}이다. ∴ 02f(x)eF(x)dx=2e1312e321\displaystyle \int_0^2f(x)e^{F(x)}dx=2e^{\frac{13}{12}}-e^{\frac32}-1

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