수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 만족시킬 때, 물음에 답하시오. (20점)

(가) 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 정의역은 실수 전체 집합이다.(나) 0≤x≤4π\displaystyle 0\le x\le4\pi일 때 f(x)=sin⁡(12x)\displaystyle f(x)=\sin\left(\frac12x\right)이다.(다) 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(−x)=f(x)\displaystyle f(-x)=f(x)이다.(라) 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x+8π)=f(x)\displaystyle f(x+8\pi)=f(x)이다.

(1) 5π≤x≤7π\displaystyle 5\pi\le x\le7\pi일 때, 부등식 ∣f(x)∣≤12\displaystyle |f(x)|\le\frac12의 해집합을 {x∣α≤x≤β}\displaystyle \{x\mid\alpha\le x\le\beta\}라 하자. β−α\displaystyle \beta-\alpha의 값을 구하시오. (단, α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta는 실수) (8점)

(2) 0≤x≤100π\displaystyle 0\le x\le100\pi일 때, 방정식 f(x)=25\displaystyle f(x)=\frac25을 만족하는 모든 해의 합을 구하시오. (12점)

해설강의 준비중

(1) 조건 (나)로부터 구간 0≤x≤4π\displaystyle 0\le x\le4\pi에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프를 나타내면 다음과 같다.

조건에 따라 확장한 함수 f의 그래프와 교점

이어서 조건 (다)로부터 구간 −4π≤x≤4π\displaystyle -4\pi\le x\le4\pi에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프를 나타내면 다음과 같다.

조건에 따라 확장한 함수 f의 그래프와 교점

또한 조건 (라)로부터 주기가 8π\displaystyle 8\pi임을 알 수 있고, 이를 이용하여 실수 전체에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프를 나타내면 다음과 같다.

조건에 따라 확장한 함수 f의 그래프와 교점
+4점 · 5π≤x≤7π\displaystyle 5\pi\le x\le7\pi에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프 개형을 옳게 그리거나 설명할 수 있다.

여기서 5π≤x≤7π\displaystyle 5\pi\le x\le7\pi일 때, 방정식 f(x)=12\displaystyle f(x)=\frac12의 해는 x=6π+π3\displaystyle x=6\pi+\frac\pi3이고 f(x)=−12\displaystyle f(x)=-\frac12의 해는 x=6π−π3\displaystyle x=6\pi-\frac\pi3이다.

조건에 따라 확장한 함수 f의 그래프와 교점
+4점 · β−α=23π\displaystyle \beta-\alpha=\frac23\pi임을 구할 수 있다.

위의 그래프로부터 부등식 ∣f(x)∣≤12\displaystyle |f(x)|\le\frac12의 해집합은{x∣6π−π3≤x≤6π+π3}\displaystyle \left\{x\mid6\pi-\frac\pi3\le x\le6\pi+\frac\pi3\right\}이고, 따라서 α=6π−π3\displaystyle \alpha=6\pi-\frac\pi3, β=6π+π3\displaystyle \beta=6\pi+\frac\pi3이다. 그러므로 β−α=23π\displaystyle \beta-\alpha=\frac23\pi이다.

(2) 0≤x≤100π\displaystyle 0\le x\le100\pi일 때, 방정식 f(x)=25\displaystyle f(x)=\frac25의 가장 작은 양의 해를 x1\displaystyle x_1이라 하자.

조건에 따라 확장한 함수 f의 그래프와 교점
+4점 · 구간 [0,8π]\displaystyle [0,8\pi]에서 해의 합 16π\displaystyle 16\pi를 구할 수 있다.

위의 그래프로부터 구간 [0,8π]\displaystyle [0,8\pi]에서 해는 x1\displaystyle x_1, 2π−x1\displaystyle 2\pi-x_1, 6π+x1\displaystyle 6\pi+x_1, 8π−x1\displaystyle 8\pi-x_1이므로 구간 [0,8π]\displaystyle [0,8\pi]에서 해의 합은 16π\displaystyle 16\pi이다. 또한 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 주기가 8π\displaystyle 8\pi이므로 구간 [8π,16π]\displaystyle [8\pi,16\pi]에서 해의 합은 16π+32π\displaystyle 16\pi+32\pi이다.같은 방법으로 구간 [8(n−1)π,8nπ]\displaystyle [8(n-1)\pi,8n\pi]에서 해의 합을 an\displaystyle a_n이라 하면an=16π+32(n−1)π\displaystyle a_n=16\pi+32(n-1)\pi (단, 1≤n≤12\displaystyle 1\le n\le12)이다.즉, an\displaystyle a_n은 첫째항이 a1=16π\displaystyle a_1=16\pi이고 공차가 d=32π\displaystyle d=32\pi인 등차수열이다.

+4점 · 구간 [0,96π]\displaystyle [0,96\pi]에서 해의 합 2304π\displaystyle 2304\pi를 구할 수 있다.

따라서 구간 [0,96π]\displaystyle [0,96\pi]에서 해의 합은 등차수열의 합의 공식으로부터S12=∑i=112ai=n(2a1+(n−1)d)2=12(2×16π+11×32π)2=2304π\displaystyle S_{12}=\sum_{i=1}^{12}a_i=\frac{n(2a_1+(n-1)d)}2=\frac{12(2\times16\pi+11\times32\pi)}2=2304\pi이다.

+4점 · 구간 [0,100π]\displaystyle [0,100\pi]에서 해의 합 2498π\displaystyle 2498\pi를 구할 수 있다.

또한 구간 [96π,100π]\displaystyle [96\pi,100\pi]에서의 해는 96π+x1\displaystyle 96\pi+x_1, 98π−x1\displaystyle 98\pi-x_1이므로 이 구간에서의 해의 합은 194π\displaystyle 194\pi이다. 그러므로 0≤x≤100π\displaystyle 0\le x\le100\pi일 때, 방정식 f(x)=25\displaystyle f(x)=\frac25의 모든 해의 합은 2304π+194π=2498π\displaystyle 2304\pi+194\pi=2498\pi이다.

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