수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의학계 2번

문제

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+1점 · 제시문 (나)에 근거하여 최솟값과 최댓값이 존재함을 서술한다.

[2-1]f(x)=ln(x2+1)\displaystyle f(x)=\ln(x^2+1)에서 f(x)=2xx2+1\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{2x}{x^2+1}이고, 함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 구간 [2,2]\displaystyle [-2,2]에서 연속이므로 제시문 (나)에 의해 최댓값과 최솟값을 가진다.

+2점 · f(x)=0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=0x\displaystyle x의 값을 구한다.

f(x)=2(x2+1)2x(2x)(x2+1)2=22x2(x2+1)2=0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=\frac{2(x^2+1)-2x(2x)}{(x^2+1)^2}=\frac{2-2x^2}{(x^2+1)^2}=0에서 x=±1\displaystyle x=\pm1이므로 함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)x=±1\displaystyle x=\pm1에서 극값을 가진다. 함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 증가와 감소를 나타내는 표와 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f^{\prime}(x)의 그래프는 아래와 같다.

도함수의 증감표와 그래프

따라서 f(2)=45\displaystyle f^{\prime} ( - 2 ) = - \frac{4}{5}, f(2)=45\displaystyle f^{\prime} ( 2 ) = \frac{4}{5}이고, f(1)=1\displaystyle f^{\prime} ( - 1 ) = - 1, f(1)=1\displaystyle f^{\prime} ( 1 ) = 1이므로 f(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )의 최솟값은 f(1)=1\displaystyle f^{\prime} ( - 1 ) = - 1이고 최댓값은 f(1)=1\displaystyle f^{\prime} ( 1 ) = 1이다.

+2점 · 두 함수 g1(x)\displaystyle g_1(x)g1(x)\displaystyle g_{-1}(x)을 구한다.

[2-2]g1(x)=f(1)(x1)+f(1)=x1+ln2\displaystyle g_{1} ( x ) = f^{\prime} ( 1 ) ( x - 1 ) + f ( 1 ) = x - 1 + \ln 2, g1(x)=f(1)(x+1)+f(1)=x1+ln2\displaystyle g_{-1} ( x ) = f^{\prime} ( -1 ) ( x + 1 ) + f ( - 1 ) = - x - 1 + \ln 2이다.

+2점 · 방정식 f(x)g1(x)=0\displaystyle f(x)-g_1(x)=0는 오직 하나의 실근을 가진다는 것을 논리적으로 서술한다.

먼저 직선 y=g1(x)\displaystyle y = g_{1} ( x )는 점 (1,ln2)\displaystyle ( 1 , \ln 2 )에서 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 접선이고, p(x)=f(x)g1(x)\displaystyle p ( x ) = f ( x ) - g_{1} ( x )라 하면 p(x)=f(x)g1(x)=2xx2+11=(x1)2x2+1\displaystyle p^{\prime} ( x ) = f^{\prime} ( x ) - g_{1}^{\prime} ( x ) = \frac{2x}{x^2+1}-1=-\frac{(x-1)^2}{x^2+1}에서 p(x)\displaystyle p ( x )는 미분가능하고 x1\displaystyle x \ne 1일 때 p(x)<0\displaystyle p^{\prime} ( x ) < 0이므로 제시문 (다)에 의해 함수 p(x)\displaystyle p ( x )는 감소한다. 따라서 방정식 f(x)g1(x)=0\displaystyle f ( x ) - g_{1} ( x ) = 0는 오직 하나의 실근(x=1)\displaystyle ( x = 1 )을 가진다.

+2점 · 방정식 f(x)g1(x)=0\displaystyle f(x)-g_{-1}(x)=0는 오직 하나의 실근을 가진다는 것을 논리적으로 서술한다.

마찬가지로 직선 y=g1(x)\displaystyle y = g_{-1} ( x )는 점 (1,ln2)\displaystyle ( - 1 , \ln 2 )에서 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 접선이고, q(x)=f(x)g1(x)\displaystyle q ( x ) = f ( x ) - g_{-1} ( x )라 하면 q(x)=f(x)g1(x)=2xx2+1+1=(x+1)2x2+1\displaystyle q^{\prime} ( x ) = f^{\prime} ( x ) - g_{-1}^{\prime} ( x ) = \frac{{2 x}}{x^{2} + 1} + 1 = \frac{{( x + 1 )^{2}}}{x^{2} + 1}에서 q(x)\displaystyle q ( x )는 미분가능하고 x1\displaystyle x \ne - 1일 때 q(x)>0\displaystyle q^{\prime} ( x ) > 0이므로 제시문 (다)에 의해 함수 q(x)\displaystyle q ( x )는 증가한다. 따라서 방정식 f(x)g1(x)=0\displaystyle f ( x ) - g_{-1} ( x ) = 0는 오직 하나의 실근(x=1)\displaystyle ( x = - 1 )을 가진다.

그러므로 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )와 두 직선 y=g1(x)\displaystyle y = g_{1} ( x ), y=g1(x)\displaystyle y = g_{-1} ( x )의 그래프를 좌표평면 위에 나타내면 아래와 같다.

로그함수와 두 접선으로 둘러싸인 도형
+2점 · 곡선과 두 직선으로 둘러싸인 도형의 넓이를 적분기호로 나타낸다.

따라서 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )와 두 직선 y=g1(x)\displaystyle y = g_{1} ( x ), y=g1(x)\displaystyle y = g_{-1} ( x )로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는 다음과 같다.S=10f(x)g1(x)dx+01f(x)g1(x)dx=201f(x)g1(x)dx=201f(x)dx201g1(x)dx\displaystyle \begin{aligned}S&=\int_{-1}^0 f(x)-g_{-1}(x)dx+\int_0^1f(x)-g_1(x)dx\\&=2\int_0^1f(x)-g_1(x)dx\\&=2\int_0^1f(x)dx-2\int_0^1g_1(x)dx\end{aligned}

+2점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 부분적분법을 이용하여 계산한다.

한편01f(x)dx=01ln(x2+1)dx=01(x)ln(x2+1)dx=[xln(x2+1)]01012x2x2+1dx=ln2012x2x2+1dx\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1f(x)dx&=\int_0^1\ln(x^2+1)dx=\int_0^1(x)^{\prime}\ln(x^2+1)dx=\Biggl[x\ln(x^2+1)\Biggr]_0^1-\int_0^1\frac{2x^2}{x^2+1}dx\\&=\ln2-\int_0^1\frac{2x^2}{x^2+1}dx\end{aligned}

+2점 · 치환적분법을 이용하여 계산한다.

여기서 x=tanθ\displaystyle x = \tan \theta라 치환하면 dx=sec2θdθ\displaystyle d x = \sec^{2} \theta d \theta이므로=ln20π42tan2θtan2θ+1×sec2θdθ=ln220π4tan2θdθ=ln220π4sec2θ1dθ=ln22[tanθθ]0π4=ln22+π2\displaystyle \begin{aligned}&=\ln2-\int_0^{\frac\pi4}\frac{2\tan^2\theta}{\tan^2\theta+1}\times\sec^2\theta d\theta=\ln2-2\int_0^{\frac\pi4}\tan^2\theta d\theta\\&=\ln2-2\int_0^{\frac\pi4}\sec^2\theta-1\,d\theta=\ln2-2\Biggl[\tan\theta-\theta\Biggr]_0^{\frac\pi4}=\ln2-2+\frac\pi2\end{aligned}이고,

+2점 · 함수 g1(x)\displaystyle g_1(x)의 적분값을 구한다.

01g1(x)dx=01(x1+ln2)dx=[12x2x+xln2]01=121+ln2=ln212\displaystyle \int_{0}^{1} g_{1} ( x ) d x = \int_{0}^{1} ( x - 1 + \ln 2 ) d x = \Biggl[ \frac{1}{2} x^{2} - x + x \ln 2 \Biggr]_{0}^{1} = \frac{1}{2} - 1 + \ln 2 = \ln 2 - \frac{1}{2}이다. 그러므로

+1점 · 곡선과 두 직선으로 둘러싸인 도형의 넓이를 구한다.

S=2(ln22+π2)2(ln212)=π3\displaystyle S = 2 \left( \ln 2 - 2 + \frac{\pi}{2} \right) - 2 \left( \ln 2 - \frac{1}{2} \right) = \pi - 3이다.

+4점 · 함수 f(x)gt(x)\displaystyle f(x)-g_t(x)의 미분계수가 0이 되는 x\displaystyle x의 값(t\displaystyle t1t\displaystyle \frac1t)을 구한다.

[2-3]함수 k(x)=f(x)gt(x)=f(x)f(t)(xt)f(t)\displaystyle k ( x ) = f ( x ) - g_{t} ( x ) = f ( x ) - f^{\prime} ( t ) ( x - t ) - f ( t )라 하자.k(x)=f(x)gt(x)=f(x)f(t)=2xx2+12tt2+1=2x(t2+1)2t(x2+1)(x2+1)(t2+1)=2tx2+2(t2+1)x2t2(x2+1)(t2+1)=2(xt)(tx1)(x2+1)(t2+1)=0\displaystyle \begin{aligned}k^{\prime}(x)&=f^{\prime}(x)-g_t^{\prime}(x)=f^{\prime}(x)-f^{\prime}(t)=\frac{2x}{x^2+1}-\frac{2t}{t^2+1}\\&=\frac{2x(t^2+1)-2t(x^2+1)}{(x^2+1)(t^2+1)}=\frac{-2tx^2+2(t^2+1)x-2t^2}{(x^2+1)(t^2+1)}=\frac{-2(x-t)(tx-1)}{(x^2+1)(t^2+1)}=0\end{aligned}에서 x=t\displaystyle x=t 또는 x=1t\displaystyle x=\frac1t이다.한편, k(x)=f(x)=22x2(x2+1)2\displaystyle k^{\prime \prime} ( x ) = f^{\prime \prime} ( x ) = \frac{{2 - 2 x^{2}}}{( x^{2} + 1 )^{2}}이고, 다음 두 가지 경우로 나누어 극솟값을 구해보자.

+5점 · t<1\displaystyle |t|<1일 때 극솟값을 구하는 과정을 논리적으로 서술한다.

1) t<1\displaystyle | t | < 1일 때제시문 (나)와 (다)에 의해 k(t)=0\displaystyle k^{\prime} ( t ) = 0, k(t)=22t2(t2+1)2>0\displaystyle k^{\prime \prime} ( t ) = \frac{{2 - 2 t^{2}}}{( t^{2} + 1 )^{2}} > 0이므로 x=t\displaystyle x = t일 때 극솟값을 가지고, k(1t)=0\displaystyle k^{\prime} \left( \frac{1}{t} \right) = 0, k(1t)=22t2(1t2+1)2<0\displaystyle k^{\prime \prime} \left( \frac{1}{t} \right) = \frac{{2 - \frac{2}{t^{2}}}}{\left( \frac{1}{t^{2}} + 1 \right)^{2}} < 0이므로 x=1t\displaystyle x = \frac{1}{t}일 때 극댓값을 가진다. 따라서 h(t)=k(t)=0\displaystyle h ( t ) = k ( t ) = 0이다.

+5점 · t>1\displaystyle |t|>1일 때 극솟값을 구하는 과정을 논리적으로 서술한다.

2) t>1\displaystyle | t | > 1일 때제시문 (나)와 (다)에 의해 k(t)=0\displaystyle k^{\prime} ( t ) = 0, k(t)=22t2(t2+1)2<0\displaystyle k^{\prime \prime} ( t ) = \frac{{2 - 2 t^{2}}}{( t^{2} + 1 )^{2}} < 0이므로 x=t\displaystyle x = t일 때 극댓값을 가지고, k(1t)=0\displaystyle k^{\prime} \left( \frac{1}{t} \right) = 0, k(1t)=22t2(1t2+1)2>0\displaystyle k^{\prime \prime} \left( \frac{1}{t} \right) = \frac{{2 - \frac{2}{t^{2}}}}{\left( \frac{1}{t^{2}} + 1 \right)^{2}} > 0이므로 x=1t\displaystyle x = \frac{1}{t}일 때 극솟값을 가진다. 따라서h(t)=k(1t)=ln(1t2+1)2t1t2+1(1tt)ln(t2+1)=ln(1t2)+2(t21)t2+1\displaystyle h ( t ) = k \left( \frac{1}{t} \right) = \ln \left( \frac{1}{t^{2}} + 1 \right) - \frac{{\frac{2}{t}}}{\frac{1}{t^{2}} + 1} \left( \frac{1}{t} - t \right) - \ln ( t^{2} + 1 )= \ln \left( \frac{1}{t^{2}} \right) + \frac{{2 ( t^{2} - 1 )}}{t^{2} + 1}이다.

+1점 · 함수 h(t)\displaystyle h(t)를 구한다.

1), 2)에 의해h(t)={0(t<1)ln(1t2)+2(t21)t2+1(t>1)\displaystyle h ( t ) = \begin{cases}0 & & ( | t | < 1 ) \\ \ln \left( \frac{1}{t^{2}} \right) + \frac{{2 ( t^{2} - 1 )}}{t^{2} + 1} & & ( | t | > 1 )\end{cases}이다.

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