수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] (50점) 다음 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

1. 함수의 증가와 감소

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 어떤 열린 구간에서 미분가능할 때, 그 구간의 모든 x\displaystyle x에 대하여

(1) f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x) >0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 그 구간에서 증가한다.

(2) f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x) <0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 그 구간에서 감소한다.

2. 극대와 극소의 판정

미분가능한 함수 y=f(x)\displaystyle y = f(x)에서 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)= 0이고, x=a\displaystyle x = a의 좌우에서

(1) f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 양에서 음으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x = a에서 극대이고, 극댓값 f(a)\displaystyle f(a)를 가진다.

(2) f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 음에서 양으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x = a에서 극소이고, 극솟값 f(a)\displaystyle f(a)를 가진다.

3. 미적분의 기본 정리

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 [a,b]\displaystyle [a, b]에서 연속이고, f(x)\displaystyle f(x)의 한 부정적분을 F(x)\displaystyle F (x)라고 하면

∫abf(x)dx=F(b)−F(a)\displaystyle \int_a^b f(x) dx = F(b) - F(a)

4. 정적분의 부분적분법

두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 미분가능하고, f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x), g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)가 연속일 때,

∫abf(x)g′(x)dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x)dx\displaystyle \int_a^b f(x) g^{\prime}(x) dx = \Biggl[ f(x)g(x) \Biggr]_a^b - \int_a^b f^{\prime}(x) g(x) dx

5. 치환적분법을 이용한 정적분

닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a, b]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 미분가능한 함수 x=g(t)\displaystyle x = g(t)의 도함수 g′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)가 닫힌구간 [α,β]\displaystyle [\alpha , \beta ]에서 연속이고, a=g(α)\displaystyle a = g( \alpha ), b=g(β)\displaystyle b = g( \beta )이면

∫abf(x)dx=∫αβf(g(t))g′(t)dt\displaystyle \int_a^b f(x) dx = \int_ \alpha ^ \beta f(g(t)) g^{\prime}(t) dt

6. 합성함수

두 함수 f:X→Z\displaystyle f : X \to Z, g:Z→Y\displaystyle g : Z \to Y의 합성함수는 g∘f:X→Y\displaystyle g \circ f : X \to Y, (g∘f)(x)=g(f(x))\displaystyle (g \circ f)(x)= g (f(x))이다.

[1] 함수 g(x)=∫1e(t−x)(t−xt)ln⁡tdt\displaystyle g(x)= \int_{1}^e (t-x) \left ( t - \frac{x}{t} \right ) \ln t dt 는 x=a\displaystyle x = a에서 최솟값을 갖는다. a\displaystyle a를 구하시오. [12점]

[2] 다음 두 조건을 만족시키는 이차함수 f(x)=ax2+bx+c\displaystyle f(x) = ax^{2} + bx + c에 대하여 물음에 답하시오.

(ⅰ) 임의의 일차함수 g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 ∫−11f(x)g(x)dx=0\displaystyle \int_{-1}^{1} f(x) g(x) dx = 0

(ⅱ) 2f(x)=∫02{f(x)−3+f(t)}dt\displaystyle 2 f(x) = \int_{0}^{2} \left\{ f(x) - 3 + f(t) \right\} dt

(1) 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 구하시오. [9점]

(2) 극한값 lim⁡h→0f(eh)−2h\displaystyle \lim_{h\to0}\dfrac{f(e^h)-2}h를 구하시오. [4점]

[3] 미분가능한 함수 f(x)=xex+1ex+1\displaystyle f(x) = \frac{ x e^x +1}{ e^x +1}에 대하여 다음 물음에 답하시오.

(1) (f∘f)(α)=1\displaystyle ( f \circ f) ( \alpha ) = 1을 만족하는 α\displaystyle \alpha를 구하시오. [5점]

(2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=p\displaystyle x =p에서 극값을 가질 때, 극대와 극소를 판정하시오. [7점]

(3) 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 부등식 ∣ef(x)−a∣≤b∣x−1∣\displaystyle \left | e f(x) - a \right |\le b \left | x -1 \right |이 성립하기 위한 상수 a\displaystyle a를 구하고,,b\displaystyle b의 최솟값을 구하시오. [13점]

해설강의 준비중

부분적분법

관련 개념강의 준비중
+3점 · g(x)\displaystyle g(x)를 x\displaystyle x에 대한 이차함수로 표현 가능 여부

[1] g(x)=∫1e(t−x)(t−xt)ln⁡t dt\displaystyle g(x)=\displaystyle\int_1^e(t-x)\left(t-\dfrac xt\right)\ln t\,dt

=(∫1eln⁡tt dt)x2−(∫1e(t+1)ln⁡t dt)x+A\displaystyle =\left(\int_1^e\dfrac{\ln t}t\,dt\right)x^2-\left(\int_1^e(t+1)\ln t\,dt\right)x+A이다. (A=∫1et2ln⁡t dt)\displaystyle \left(A=\displaystyle\int_1^et^2\ln t\,dt\right)

+3점 · 1차항의 계수에 나타난 정적분을 치환적분법으로 계산 가능 여부

2차항의 계수를 계산하면 ∫1eln⁡tt dt=∫01u du=12\displaystyle\int_1^e\dfrac{\ln t}t\,dt=\int_0^1u\,du=\dfrac12이다. (ln⁡t=u\displaystyle \ln t=u로 치환)

+4점 · 2차항의 계수에 나타난 정적분을 부분적분법으로 계산 가능 여부

Correction. 채점표의 일차항과 이차항 명칭은 서로 바뀌어 있다. 치환적분으로 계산하는 것은 이차항의 계수이고, 부분적분으로 계산하는 것은 일차항의 계수이다. 배점 3점과 4점은 대학 답안과 일치한다. 원문 표기는 그대로 실었다.

1차항의 계수를 계산하면

−∫1e(t+1)ln⁡t dt=−[(t22+t)ln⁡t]1e+∫1e(t2+1)dt=−e22−e+[t24+t]1e=−e2+54\displaystyle -\int_1^e(t+1)\ln t\,dt=-\Biggl[\left(\dfrac{t^2}2+t\right)\ln t\Biggr]_1^e+\int_1^e\left(\dfrac t2+1\right)dt=-\dfrac{e^2}2-e+\Biggl[\dfrac{t^2}4+t\Biggr]_1^e=-\dfrac{e^2+5}4이다.

+2점 · 이차함수가 최솟값을 가지는 x\displaystyle x의 도출 가능 여부

따라서 g(x)=12x2−e2+54x+A=12(x−e2+54)2+A−12(e2+54)2\displaystyle g(x)=\dfrac12x^2-\dfrac{e^2+5}4x+A=\dfrac12\left(x-\dfrac{e^2+5}4\right)^2+A-\dfrac12\left(\dfrac{e^2+5}4\right)^2이다.

g(x)\displaystyle g(x)가 최솟값을 가지는 x\displaystyle x는 e2+54\displaystyle \dfrac{e^2+5}4이다.

+4점 · 조건 (i)에 따라 다항함수의 정적분 계산 가능 여부

[2] (1) (i)로부터

∫−11(ax2+bx+c)(px+q) dx=∫−11{apx3+(aq+bp)x2+(bq+cp)x+cq} dx\displaystyle \int_{-1}^1(ax^2+bx+c)(px+q)\,dx=\int_{-1}^1\{apx^3+(aq+bp)x^2+(bq+cp)x+cq\}\,dx

=[ap4x4+aq+bp3x3+bq+cp2x2+cqx]−11=23(aq+bp)+2cq\displaystyle =\Biggl[\dfrac{ap}4x^4+\dfrac{aq+bp}3x^3+\dfrac{bq+cp}2x^2+cqx\Biggr]_{-1}^1=\dfrac23(aq+bp)+2cq

+2점 · 항등식 성질을 사용하여 미지수들의 조건 도출 가능 여부

=2b3p+2(a3+c)q=0\displaystyle =\dfrac{2b}3p+2\left(\dfrac a3+c\right)q=0이다. p, q\displaystyle p,~q에 대한 항등식이므로 b=0, a3+c=0\displaystyle b=0,~\dfrac a3+c=0이다.

+3점 · 앞 단계와 조건 (ii)을 이용하여 이차함수 결정 가능 여부

이로부터 f(x)=ax2−a3\displaystyle f(x)=ax^2-\dfrac a3이다. 이것을 (ii)에 대입하면

2f(x)=∫02{f(x)−3+f(t)} dt=2f(x)−6+∫02(at2−a3)dt\displaystyle 2f(x)=\int_0^2\{f(x)-3+f(t)\}\,dt=2f(x)-6+\int_0^2\left(at^2-\dfrac a3\right)dt이다.

6=a(83−23)=2a\displaystyle 6=a\left(\dfrac83-\dfrac23\right)=2a이므로 a=3\displaystyle a=3이고 f(x)=3x2−1\displaystyle f(x)=3x^2-1이다.

+4점 · 합성함수의 극한값 계산 가능 여부 로피탈 정리를 사용하거나 lim⁡h→0eh−1h=1\displaystyle \lim_{h\to0}\dfrac{e^h-1}h=1을 사용하지 않은 경우 −2점

(2) lim⁡h→03e2h−1−2h=lim⁡h→03(eh+1)eh−1h=3lim⁡h→0(eh+1)⋅lim⁡h→0eh−1h=6\displaystyle\lim_{h\to0}\dfrac{3e^{2h}-1-2}h=\lim_{h\to0}3(e^h+1)\dfrac{e^h-1}h=3\lim_{h\to0}(e^h+1)\cdot\lim_{h\to0}\dfrac{e^h-1}h=6이다.

+3점 · f(α)=y\displaystyle f(\alpha)=y라 두고 y\displaystyle y값의 계산 가능 여부

[3] (1) f(α)=y\displaystyle f(\alpha)=y라고 하자.

f(y)=yey+1ey+1=1\displaystyle f(y)=\dfrac{ye^y+1}{e^y+1}=1이므로 ey(y−1)=0\displaystyle e^y(y-1)=0이다. 따라서 y=1\displaystyle y=1이다.

+2점 · f(α)=1\displaystyle f(\alpha)=1로부터 α\displaystyle \alpha값의 도출 가능 여부

f(α)=αeα+1eα+1=1\displaystyle f(\alpha)=\dfrac{\alpha e^\alpha+1}{e^\alpha+1}=1이므로 eα(α−1)=0\displaystyle e^\alpha(\alpha-1)=0이다. 따라서 α=1\displaystyle \alpha=1이다.

+3점 · f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 도출 가능 여부

(2) f′(x)=ex(x+1)(ex+1)−(xex+1)ex(ex+1)2=ex(ex+x)(ex+1)2\displaystyle f^{\prime}(x)=\dfrac{e^x(x+1)(e^x+1)-(xe^x+1)e^x}{(e^x+1)^2}=\dfrac{e^x(e^x+x)}{(e^x+1)^2}이다.

+4점 · x=p\displaystyle x=p의 좌우에서 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호 확인하여 극소라는 결론 도출 가능 여부

p\displaystyle p에서 극값을 가지므로 f′(p)=0\displaystyle f^{\prime}(p)=0이다. 이로부터 ep+p=0\displaystyle e^p+p=0이다.

x<p\displaystyle x<p이면 ex+x<0\displaystyle e^x+x<0이므로 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이다.

x>p\displaystyle x>p이면 ex+x>0\displaystyle e^x+x>0이므로 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이다.

따라서 x=p\displaystyle x=p에서 극소이다.

+3점 · x=1\displaystyle x=1을 대입하여 a=e\displaystyle a=e를 보일 수 있는지 여부

(3) x=1\displaystyle x=1을 주어진 식에 대입하면 ∣ef(1)−a∣=∣e−a∣≤0\displaystyle |ef(1)-a|=|e-a|\le0이므로 a=e\displaystyle a=e이다.

+4점 · x=1\displaystyle x=1이면 b\displaystyle b는 임의의 실수이고 x≠1\displaystyle x\ne1이면 ex+1ex+1≤b\displaystyle \dfrac{e^{x+1}}{e^x+1}\le b를 보일 수 있는지 여부

e∣f(x)−1∣=e∣xex+1−ex−1ex+1∣=∣x−1∣ex+1ex+1≤b∣x−1∣\displaystyle e|f(x)-1|=e\left|\dfrac{xe^x+1-e^x-1}{e^x+1}\right|=\dfrac{|x-1|e^{x+1}}{e^x+1}\le b|x-1|

x=1\displaystyle x=1이면 b\displaystyle b는 임의의 실수이고 ⋯⋯\displaystyle \cdots\cdots㉠

x≠1\displaystyle x\ne1이면 ex+1ex+1≤b\displaystyle \dfrac{e^{x+1}}{e^x+1}\le b이다.

+3점 · g(x)=ex+1ex+1\displaystyle g(x)=\dfrac{e^{x+1}}{e^x+1}라고 하여 g′(x)=ex+1(ex+1)−ex+1ex(ex+1)2=ex+1(ex+1)2>0\displaystyle g^{\prime}(x)=\dfrac{e^{x+1}(e^x+1)-e^{x+1}e^x}{(e^x+1)^2}=\dfrac{e^{x+1}}{(e^x+1)^2}>0으로 g(x)\displaystyle g(x)가 증가함을 보일 수 있는지 여부

g(x)=ex+1ex+1\displaystyle g(x)=\dfrac{e^{x+1}}{e^x+1}라고 하면,

g′(x)=ex+1(ex+1)−ex+1ex(ex+1)2=ex+1(ex+1)2>0\displaystyle g^{\prime}(x)=\dfrac{e^{x+1}(e^x+1)-e^{x+1}e^x}{(e^x+1)^2}=\dfrac{e^{x+1}}{(e^x+1)^2}>0이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 증가한다.

+3점 · lim⁡x→∞g(x)=e\displaystyle \lim_{x\to\infty}g(x)=e를 보임으로서 b≥e\displaystyle b\ge e로 결론 도출 가능 여부

lim⁡x→∞g(x)=e\displaystyle \lim_{x\to\infty}g(x)=e이므로 b≥e\displaystyle b\ge e이다. ⋯⋯\displaystyle \cdots\cdots㉡

㉠과 ㉡으로부터 모든 실수 x\displaystyle x에 대해 주어진 식을 만족하는 b\displaystyle b의 최솟값은 e\displaystyle e이다.

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