수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후) 2번

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문제

다음을 읽고 물음에 답하시오.

삼차함수 f(x)=x3+bx2+cx+d\displaystyle f(x)=x^3+bx^2+cx+d가 다음 조건을 만족한다.(가) 모든 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이다.(나) lim⁡x→0f(x)+f(−x)−2f(0)x2=0\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{f(x)+f(-x)-2f(0)}{x^2}=0(다) 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수를 g(x)\displaystyle g(x)라 할 때, lim⁡x→0f(x)−2g(x)x=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{f(x)-2g(x)}x=1이다.

2-1) f(d2)\displaystyle f\left(\frac d2\right)의 값을 구하고, 그 이유를 설명하시오. (10점)

2-2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 구하고, 그 이유를 설명하시오. (10점)

2-3) ∫−33x(f(x)+1)g(x) dx\displaystyle \int_{-3}^3x(f(x)+1)g(x)\,dx의 값을 구하고, 그 이유를 설명하시오. (10점)

해설강의 준비중

주어진 삼차함수는 f(x)=x3+bx2+cx+d\displaystyle f(x)=x^3+bx^2+cx+d이고, 조건을 이용하여 계수를 구한다.

+10점 · 주어진 조건으로부터 f(0)\displaystyle f(0)와 g(0)\displaystyle g(0)사이의 관계를 알아내고 역함수의 정의를 활용하여 함수값을 구하는 과정과 이유를 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

2-1)조건 (다)로부터 d=f(0)=2g(0)\displaystyle d=f(0)=2g(0)이고, f(d2)=g−1(d2)=0\displaystyle f\left(\frac d2\right)=g^{-1}\left(\frac d2\right)=0을 얻는다.

+10점 · 주어진 조건으로부터 삼차함수의 계수를 구하는 과정과 이유를 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

2-2)조건 (나)에서 2b=lim⁡x→0f(x)+f(−x)−2f(0)x2=0, b=0\displaystyle 2b=\lim_{x\to0}\frac{f(x)+f(-x)-2f(0)}{x^2}=0,\ b=0를 얻는다.2-1)로부터 d=f(0)=2g(0)\displaystyle d=f(0)=2g(0)이다. 이때 조건 (가)로부터 d=0\displaystyle d=0임을 알 수 있다.왜냐하면, f(d2)=d8×(d2+4c+1)=0\displaystyle f\left(\frac d2\right)=\frac d8\times(d^2+4c+1)=0이고 c=f′(0)>0\displaystyle c=f^{\prime}(0)>0이므로 d=0\displaystyle d=0이다.Correction. d2+4c+1\displaystyle d^2+4c+1은 d2+4c+8\displaystyle d^2+4c+8의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.추가로, 조건 (다)에 의해,lim⁡x→0f(x)−2g(x)x=lim⁡x→0f(x)−f(0)−2(g(x)−g(0))x=f′(0)−2g′(0)=f′(0)−2f′(g(0))=f′(0)−2f′(0)=1\displaystyle \begin{aligned}\lim_{x\to0}\frac{f(x)-2g(x)}x&=\lim_{x\to0}\frac{f(x)-f(0)-2(g(x)-g(0))}x=f^{\prime}(0)-2g^{\prime}(0)\\&=f^{\prime}(0)-\frac2{f^{\prime}(g(0))}=f^{\prime}(0)-\frac2{f^{\prime}(0)}=1\end{aligned}을 얻는다. 이 식을 풀면 f′(0)=2\displaystyle f^{\prime}(0)=2 또는 f′(0)=−1\displaystyle f^{\prime}(0)=-1이 된다. 이 중 조건 (가)에 의해 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0을 만족해야 하므로 c=f′(0)=2\displaystyle c=f^{\prime}(0)=2이다.따라서, f(x)=x3+2x\displaystyle f(x)=x^3+2x이다.

+10점 · 원점 대칭 함수의 성질과 치환적분을 이용하여 적분값을 구하는 과정과 이유를 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

2-3)두 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)는 각각, f(x)=−f(−x)\displaystyle f(x)=-f(-x)와 g(x)=−g(−x)\displaystyle g(x)=-g(-x)를 만족한다. 따라서, f(x)xg(x)\displaystyle f(x)xg(x)는 원점 대칭 함수이며 ∫−33f(x)xg(x) dx=0\displaystyle \int_{-3}^3f(x)xg(x)\,dx=0이 되므로,∫−33x(f(x)+1)g(x) dx=∫−33xg(x) dx\displaystyle \int_{-3}^3x(f(x)+1)g(x)\,dx=\int_{-3}^3xg(x)\,dx이 된다. 이어서 g(x)=t\displaystyle g(x)=t로 치환하면,∫−33xg(x) dx=∫−11f(t)tf′(t) dt=∫−11tddt(f2(t)2) dt=[tf2(t)2]−11−∫−11f2(t)2 dt=9−∫−11(t3+2t)22 dt=9−239105=706105\displaystyle \begin{aligned}\int_{-3}^3xg(x)\,dx&=\int_{-1}^1f(t)tf^{\prime}(t)\,dt=\int_{-1}^1t\frac d{dt}\left(\frac{f^2(t)}2\right)\,dt\\&=\Biggl[t\frac{f^2(t)}2\Biggr]_{-1}^1-\int_{-1}^1\frac{f^2(t)}2\,dt=9-\int_{-1}^1\frac{(t^3+2t)^2}2\,dt\\&=9-\frac{239}{105}=\frac{706}{105}\end{aligned}

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