수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

부분적분법

관련 개념강의 준비중
+2점 · 적분되는 함수가 원점에 대칭인 함수임을 보이면

[1]

(1) 적분되는 함수를 g(x)\displaystyle g(x)라고 하자.

g(x)=x2022f(x)ex2+x=x2025ex2\displaystyle g(x)=x^{2022} f(x) e^{x^{2}+x}=x^{2025} e^{x^{2}}g(x)=g(x)\displaystyle g(-x)=-g(x)이므로 원점에 대하여 대칭인 함수이다. x=t\displaystyle x=-t로 치환하면

+2점 · 정적분의 값이 0임을 보이면

eex2022f(x)ex2+xdx=0eg(x)dx+e0g(x)dx=0eg(x)dx0eg(t)dt=0\displaystyle \int_{-e}^{e} x^{2022} f(x) e^{x^{2}+x} d x= \int_{0}^{e} g(x) d x+ \int_{-e}^{0} g(x) d x= \int_{0}^{e} g(x) d x- \int_{0}^{e} g(t) d t=0

+2점 · 도함수를 구하고 이로부터 x=0, 3\displaystyle x=0,~3을 구했으면

(2) f(x)=(x3+3x2)ex=x2(x3)ex\displaystyle f ^{\prime} (x)= \left (-x^{3}+3 x^{2} \right ) e^{-x}=-x^{2}(x-3) e^{-x}이고 f(x)=0\displaystyle f ^{\prime} (x)=0에서 x=0\displaystyle x=0, 3\displaystyle 3

대학 원본의 x 세제곱과 지수함수 곱의 증감표
+4점 · x=0, 3\displaystyle x=0,~3에서 극값 판정을 올바르게 했으면 +2점 · 최댓값을 구했으면

따라서 최댓값은 f(3)=(3e)3\displaystyle f(3)= \left (\frac{3}{e} \right )^{3}

+3점 · (ff)(x)=0\displaystyle (f\circ f)^{\prime}(x)=0에서 x=0, 3\displaystyle x=0,~3 그리고 f(x)=3\displaystyle f(x)=3x\displaystyle x임을 보이면

(3) (ff)(x)=f(f(x))f(x)=0\displaystyle (f\circ f) ^{\prime} (x)=f ^{\prime} (f(x)) f ^{\prime} (x)=0에서 f(f(x))=0\displaystyle f ^{\prime} (f(x))=0또는 f(x)=0\displaystyle f ^{\prime} (x)=0

f(x)=0\displaystyle f ^{\prime} (x)=0인 경우, x=0\displaystyle x=0, 3\displaystyle 3

f(f(x))=0\displaystyle f ^{\prime} (f(x))=0인 경우, f(x)=0\displaystyle f(x)=0, 3\displaystyle 3이므로 x=0\displaystyle x=0또는 f(x)=x3ex=3\displaystyle f(x)=x^{3} e^{-x}=3x\displaystyle x

+2점 · x=0\displaystyle x=0에서 (ff)(x)\displaystyle (f\circ f)^{\prime}(x)의 극값 판정을 올바르게 했으면

Correction. 문제와 답안에서 극값을 판정하는 함수는 (ff)(x)\displaystyle (f\circ f)(x)이다. 채점표의 극값 판정 대상에 붙은 미분 기호는 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(i) x=0\displaystyle x=0일 때.x=0\displaystyle x=0의 좌우에서 (2)의 표에서와 같이 f(x)\displaystyle f ^{\prime} (x)의 부호는 바뀌지 않고, f(f(0))=f(0)\displaystyle f ^{\prime} (f(0))=f ^{\prime} (0)이므로 (ff)(x)\displaystyle (f\circ f) ^{\prime} (x)의 부호는 바뀌지 않는다.

+3점 · x=3\displaystyle x=3에서 (ff)(x)\displaystyle (f\circ f)^{\prime}(x)의 극값 판정을 올바르게 했으면

(ii) x=3\displaystyle x=3일 때,

x=3\displaystyle x=3의 좌우에서 (2)의 표에서와 같이 f(x)\displaystyle f ^{\prime} (x)의 부호가 양에서 음으로 바뀌고, f(f(3))>0\displaystyle f ^{\prime} (f(3))>0이므로 (ff)(x)\displaystyle (f\circ f) ^{\prime} (x)의 부호도 양에서 음으로 바뀐다. 따라서 x=3\displaystyle x=3에서 극대이다.

+4점 · f(x)=3\displaystyle f(x)=3x\displaystyle x에서 (ff)(x)\displaystyle (f\circ f)^{\prime}(x)의 극값 판정을 올바르게 했으면

(iii) f(x)=x3ex=3\displaystyle f(x)=x^{3} e^{-x}=3을 만족하는 x\displaystyle x일 때,

f(x)=x3ex=3\displaystyle f(x)=x^{3} e^{-x}=3일 때, (2)에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값은 (3e)31.344\displaystyle \left (\frac{3}{e} \right )^{3}\approx 1.344(제시문1\displaystyle 1이용)이므로 f(x)<3\displaystyle f(x)<3

따라서 f(x)=x3ex=3\displaystyle f(x)=x^{3} e^{-x}=3x\displaystyle x는 존재하지 않는다.

(i), (ii), (iii)으로부터 함수 (ff)(x)\displaystyle (f\circ f)(x)가 극값을 갖도록 하는 x\displaystyle x좌표는 3\displaystyle 3

+4점 · 방정식으로부터 sinx=1\displaystyle \sin x=-1cosx=0\displaystyle \cos x=0을 구했으면

[2]

(1) sin2021x=12cosx\displaystyle \sin ^{2021} x=-1- \sqrt {2}| \cos x|에서 2cosx0\displaystyle - \sqrt {2}| \cos x| \le 0이므로 sin2021x1\displaystyle \sin ^{2021} x \le -1

또한 1sin2021x1\displaystyle -1 \le \sin ^{2021} x \le 1이므로 sin2021x=1\displaystyle \sin ^{2021} x=-1이며 따라서 sinx=1\displaystyle \sin x=-1

이것을 방정식에 대입하면 cosx=0\displaystyle \cos x=0

+2점 · x\displaystyle xπ2, 32π\displaystyle -\dfrac\pi2,~\dfrac32\pi를 구했으면

2πx2π\displaystyle -2 \pi \le x \le 2 \pi에서 sinx=1\displaystyle \sin x=-1cosx=0\displaystyle \cos x=0을 만족하는 x\displaystyle xπ2\displaystyle -\frac{ \pi }{2}, 32π\displaystyle \frac{3}{2} \pi

+2점 · 실근의 합 a\displaystyle a와 실근의 곱 b\displaystyle b를 올바르게 구했으면

따라서 모든 실근의 합 a\displaystyle aπ\displaystyle \pi, 모든 실근의 곱 b\displaystyle b34π2\displaystyle -\frac{3}{4} \pi ^{2}

+1점 · a1=S1=π4\displaystyle a_1=S_1=\dfrac\pi4를 구했으면

(2) Sn=an2+bπn=πn234πn\displaystyle S_{n}=a n^{2}+\frac{b}{ \pi } n= \pi n^{2}-\frac{3}{4} \pi n

a1=S1=π4 \displaystyle a_{1}=S_{1}=\frac{ \pi }{4} ~ \cdots \cdots ①

+3점 · an=SnSn1\displaystyle a_n=S_n-S_{n-1}을 올바르게 구했으면

n2\displaystyle n \ge 2일 때, an=SnSn1=πn234πnπ(n1)2+34π(n1)=2πn74π \displaystyle a_{n}=S_{n}-S_{n-1}= \pi n^{2}-\frac{3}{4} \pi n- \pi (n-1)^{2}+\frac{3}{4} \pi (n-1)=2 \pi n-\frac{7}{4} \pi ~ \cdots \cdots

①은 ②에 n=1\displaystyle n=1을 대입한 결과와 같으므로 구하는 일반항은 an=2πn74π (n1)\displaystyle a_{n}=2 \pi n-\frac{7}{4} \pi ~ (n \ge 1)

+3점 · 01F(x)dx=3e\displaystyle \int_0^1F(x)\,dx=3-e를 구했으면

[3]

(1) 조건 (a)를 이용하면 01F(x)dx=01(f(x)+1ex)dx=F(1)+[xex]01=F(1)+2e\displaystyle \int_{0}^{1} F(x) d x= \int_{0}^{1} \left (f(x)+1-e^{x} \right ) d x=F(1)+ \Biggl[x-e^{x} \Biggr]_{0}^{1}=F(1)+2-e

조건 (b)를 이용하면 01F(x)dx=3e \displaystyle \int_{0}^{1} F(x) d x=3-e ~ \cdots \cdots

+3점 · 01xf(x)dx=e2\displaystyle \int_0^1xf(x)\,dx=e-2를 구했으면

이로부터 01xf(x)dx=[xF(x)]0101F(x)dx=e2\displaystyle \int_{0}^{1} x f(x) d x=\Biggl[x F(x)\Biggr]_{0}^{1}- \int_{0}^{1} F(x) d x=e-2

+4점 · 01(F(x))2dx=12+01F(x)dx01exF(x)dx\displaystyle \int_0^1(F(x))^2\,dx=\dfrac12+\int_0^1F(x)\,dx-\int_0^1e^xF(x)\,dx를 구했으면

(2) 조건 (a)를 이용하면

01(F(x))2dx=01F(x)(f(x)+1ex)dx=01ddx(F(x))22dx+01F(x)dx01exF(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1}(F(x))^{2} d x= \int_{0}^{1} F(x) \left (f(x)+1-e^{x} \right ) d x= \int_{0}^{1} \frac{d}{d x} \frac{(F(x))^{2}}{2} d x+ \int_{0}^{1} F(x) d x- \int_{0}^{1} e^{x} F(x) d x

+2점 · 01F(x){ex+F(x)}dx=72e\displaystyle \int_0^1F(x)\{e^x+F(x)\}\,dx=\dfrac72-e를 구했으면

위 식을 정리하여 ③과 조건 (b)를 이용하면

01F(x){ex+F(x)}dx=12{(F(1))2(F(0))2}+3e=72e\displaystyle \int_{0}^{1} F(x) \left\{ e^{x}+F(x)\right\} d x=\frac{1}{2} \left\{ (F(1))^{2}-(F(0))^{2}\right\} +3-e=\frac{7}{2}-e

+2점 · 최대 정수 n\displaystyle n을 구했으면

제시문1\displaystyle 1을 이용하면 72e>0.78\displaystyle \frac{7}{2}-e>0.78

따라서 01F(x){ex+F(x)}dx>n\displaystyle \int_{0}^{1} F(x) \left\{ e^{x}+F(x)\right\} d x>n인 최대 정수 n\displaystyle n0\displaystyle 0

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