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자연계열 미적분

문제

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+3점 · lnf(x)=(x+α)ln(1+1x)\displaystyle \ln f(x)=(x+\alpha)\ln\left(1+\frac1x\right)로 변형하여 합성함수 미분법, 곱의 미분법, 몫의 미분법을 적용할 수 있다.

[미적분-1]f(x)=(1+1x)x+α\displaystyle f(x)=\left(1+\frac1x\right)^{x+\alpha}의 양변에 자연로그를 취하면 lnf(x)=(x+α)ln(1+1x)\displaystyle \ln f(x)=(x+\alpha)\ln\left(1+\frac1x\right)위 식의 양변을 x\displaystyle x에 대해 미분하면 f(x)f(x)=ln(1+1x)x+αx2+x\displaystyle \frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}=\ln\left(1+\frac1x\right)-\frac{x+\alpha}{x^2+x}이다.

+2점 · 조건에 맞는 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 정하고, 함수의 극한값을 구할 수 있다.

g(x)=ln(1+1x)x+αx2+x\displaystyle g(x)=\ln\left(1+\frac1x\right)-\frac{x+\alpha}{x^2+x}라 하면 f(x)=f(x)g(x)\displaystyle f^{\prime}(x)=f(x)g(x)이고 limxg(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}g(x)=0이다.

+2점 · 함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호를 확인할 때 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 부호만 확인하면 된다는 사실을 알고, g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)를 구할 수 있다.

[미적분-2]f(x)=f(x)g(x)\displaystyle f^{\prime}(x)=f(x)g(x)이고 x>0\displaystyle x>0에서 f(x)>0\displaystyle f(x)>0이므로 g(x)\displaystyle g(x)의 부호를 확인하면 된다.g(x)=ln(1+1x)x+αx2+x\displaystyle g(x)=\ln\left(1+\frac1x\right)-\frac{x+\alpha}{x^2+x}에서 g(x)=(2α1)x+α(x2+x)2\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{(2\alpha-1)x+\alpha}{(x^2+x)^2}

+4점 · α0\displaystyle \alpha\le0일 때 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호를 확인하고 f(x)\displaystyle f(x)가 증가함을 설명할 수 있다.

(ⅰ) α0\displaystyle \alpha\le0인 경우x>0\displaystyle x>0에서 g(x)<0\displaystyle g^{\prime}(x)<0이므로 x>0\displaystyle x>0에서 g(x)\displaystyle g(x)는 감소한다.이때 limxg(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}g(x)=0이므로 x>0\displaystyle x>0에서 g(x)>0\displaystyle g(x)>0이고 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이다.따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 열린구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 증가한다.

α≤0일 때 g의 그래프
+4점 · α12\displaystyle \alpha\ge\frac12일 때 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호를 확인하고 f(x)\displaystyle f(x)가 감소함을 설명할 수 있다.

(ⅱ) α12\displaystyle \alpha\ge\frac12인 경우x>0\displaystyle x>0에서 g(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0이므로 x>0\displaystyle x>0에서 g(x)\displaystyle g(x)는 증가한다.이때 limxg(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}g(x)=0이므로 x>0\displaystyle x>0에서 g(x)<0\displaystyle g(x)<0이고 f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이다.따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 열린구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 감소한다.

α≥1/2일 때 g의 그래프
+3점 · α=13\displaystyle \alpha=\frac13일 때 극댓값 g(1)>0\displaystyle g(1)>0임을 설명할 수 있다.

[미적분-3]α=13\displaystyle \alpha=\frac13일 때, g(x)=13x+13(x2+x)2=0\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{-\frac13x+\frac13}{(x^2+x)^2}=0에서 g(1)=0\displaystyle g^{\prime}(1)=0이고x<1\displaystyle x<1에서 g(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0, x>1\displaystyle x>1에서 g(x)<0\displaystyle g^{\prime}(x)<0이다.또, 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 극댓값 g(1)=ln223>0\displaystyle g(1)=\ln2-\frac23>0이다.

+3점 · x>1\displaystyle x>1에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 극값이 존재하지 않음을 판단할 수 있다.

limxg(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}g(x)=0이고 x>1\displaystyle x>1에서 g(x)\displaystyle g(x)는 감소하므로 x>1\displaystyle x>1에서 g(x)>0\displaystyle g(x)>0이 항상 성립한다.따라서, 열린구간 (1,)\displaystyle (1,\infty)에서 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이고 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 증가하므로 열린구간 (1,)\displaystyle (1,\infty)에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 극솟값은 존재하지 않는다.

+3점 · 사잇값 정리를 이용하여 열린구간 (13,1)\displaystyle \left(\frac13,1\right)에서 g(c)=0\displaystyle g(c)=0c\displaystyle c가 존재함을 설명할 수 있다.

한편, g(13)=ln432<0\displaystyle g\left(\frac13\right)=\ln4-\frac32<0이고 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 닫힌구간 [13,1]\displaystyle \left[\frac13,1\right]에서 연속이므로 제시문 (나)에 의해 열린구간 (13,1)\displaystyle \left(\frac13,1\right)에서 g(c)=0\displaystyle g(c)=0c\displaystyle c가 적어도 하나 존재한다.

+4점 · 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 증가, 감소, 극한값을 바탕으로 열린구간 (13,1)\displaystyle \left(\frac13,1\right)에서 g(x)=0\displaystyle g(x)=0을 만족시키는 x=c\displaystyle x=c 뿐 임을 확인 할 수 있다.

이때, 열린구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에서 g(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 이 구간에서 증가한다.그러므로, 열린구간 (13,c)\displaystyle \left(\frac13,c\right)에서 g(x)<0\displaystyle g(x)<0이고 열린구간 (c,1)\displaystyle (c,1)에서 g(x)>0\displaystyle g(x)>0이다.

α=1/3일 때 g의 영점 c와 극댓값
+2점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)(13,)\displaystyle \left(\frac13,\infty\right)x=c\displaystyle x=c에서만 극솟값을 가짐을 설명할 수 있다.

즉, f(c)=0  (13<c<1)\displaystyle f^{\prime}(c)=0\;\left(\frac13<c<1\right)이고 x=c\displaystyle x=c의 좌우에서 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 음에서 양으로 바뀌므로 f(x)\displaystyle f(x)x=c\displaystyle x=c에서 유일한 극솟값 f(c)\displaystyle f(c)를 갖는다.

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