수리논술, 이게 다다.

의·약학계 2번

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문제

【공통문항 2】다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

(가) 일반적으로 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 실수 a\displaystyle a에 대하여 다음 세 조건을 모두 만족시킬 때, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 연속이라고 한다.(i) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 정의되어 있고(ii) 극한값 lim⁡x→af(x)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)가 존재하며(iii) lim⁡x→af(x)=f(a)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=f(a)

(나) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 어떤 구간에 속하는 모든 실수 x\displaystyle x에서 연속일 때, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 그 구간에서 연속이라고 한다.

0<t<2\displaystyle 0<t<2인 실수 t\displaystyle t에 대하여 실수 전체 집합에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 만족시킨다.

(i) f(x)={(x+t)(x+t+2)(−2≤x<0)−4(x−t)(x−t−2)(0≤x<2)\displaystyle f(x)=\begin{cases}(x+t)(x+t+2)&(-2\le x<0)\\-4(x-t)(x-t-2)&(0\le x<2)\end{cases}(ii) 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=f(x+4)\displaystyle f(x)=f(x+4)

실수 a\displaystyle a와 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 g(x)=f(x)f(x−a)\displaystyle g(x)=f(x)f(x-a)라 할 때, 다음 물음에 답하시오.

[2-1] a=1\displaystyle a=1일 때, 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 실수 전체의 집합에서 연속이 되도록 하는 모든 실수 t\displaystyle t의 집합과a=32\displaystyle a=\frac32일 때, 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 실수 전체의 집합에서 연속이 되도록 하는 모든 실수 t\displaystyle t의 집합을 각각 구하시오. (20점)

[2-2] a=2\displaystyle a=2라 하자. 0<t<2\displaystyle 0<t<2인 실수 t\displaystyle t에 대하여 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 실수 전체의 집합에서 연속임을 보이고,열린구간 (0,2)\displaystyle (0,2)에서 함수 h(t)=∫02g(x) dx\displaystyle h(t)=\int_0^2 g(x)\,dx가 극대가 되는 t\displaystyle t의 값을 구하시오. (15점)

해설강의 준비중

[2-1]모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=f(x+4)\displaystyle f(x)=f(x+4)이므로g(x+4)=f(x+4)f(x+4−a)=f(x)f(x−a)=g(x)\displaystyle g(x+4)=f(x+4)f(x+4-a)=f(x)f(x-a)=g(x)이다. [−2,2)\displaystyle [-2,2)에서 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이라는 것을 보이면 g(x)\displaystyle g(x)는 실수 전체의 집합에서 연속이라 할 수 있다.또한, f(x)\displaystyle f(x)는 모든 실수 t\displaystyle t에 대하여 f(t)=lim⁡x→t+f(x)\displaystyle f(t)=\lim_{x\to t^+}f(x)이므로g(t)=lim⁡x→t+g(x)\displaystyle g(t)=\lim_{x\to t^+}g(x)가 되어 x=t\displaystyle x=t에서 g(x)\displaystyle g(x)의 연속성은 g(t)=lim⁡x→t−g(x)\displaystyle g(t)=\lim_{x\to t^-}g(x)를 보이는 것만으로 충분하다.

주기가 4인 함수 f의 그래프
+10점 · a=1\displaystyle a=1일 때, 실수 전체의 집합에서 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이 되기 위해서 연속성이 보장되어야 하는 4개의 x\displaystyle x값에 대한 연속성을 확인할 수 있다.

[i] a=1\displaystyle a=1일 때, 함수 g(x)=f(x)f(x−a)\displaystyle g(x)=f(x)f(x-a)는 [−2,2)\displaystyle [-2,2)에서f(x)\displaystyle f(x)는 x=0,  x=−2\displaystyle x=0,\;x=-2에서만 불연속이고, f(x−1)\displaystyle f(x-1)는 x=1,  x=−1\displaystyle x=1,\;x=-1에서만 불연속이 되므로g(x)\displaystyle g(x)가 x=0,  x=−2,  x=1,  x=−1\displaystyle x=0,\;x=-2,\;x=1,\;x=-1에서 연속이 되면 [−2,2)\displaystyle [-2,2)에서 g(x)\displaystyle g(x)는 연속이 된다.x=0\displaystyle x=0에서 g(x)\displaystyle g(x)는1) 함숫값 g(0)=f(0)f(−1)=−4t(t+2)f(−1)\displaystyle g(0)=f(0)f(-1)=-4t(t+2)f(-1)2) 좌극한 lim⁡x→0−g(x)=lim⁡x→0−f(x)f(x−1)=t(t+2)×f(−1)\displaystyle \lim_{x\to0^-}g(x)=\lim_{x\to0^-}f(x)f(x-1)=t(t+2)\times f(-1)이므로 x=0\displaystyle x=0에서 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이 되려면−4f(−1)=f(−1)\displaystyle -4f(-1)=f(-1) 즉, f(−1)=(t−1)(t+1)=0,  t=1\displaystyle f(-1)=(t-1)(t+1)=0,\;t=1이다. ⋯ ①x=−2\displaystyle x=-2에서 g(x)\displaystyle g(x)는1) 함숫값 g(−2)=f(−2)f(−3)=t(t−2)f(−3)\displaystyle g(-2)=f(-2)f(-3)=t(t-2)f(-3)2) 좌극한 lim⁡x→−2−g(x)=lim⁡x→−2−f(x)f(x−1)=−4t(t−2)f(−3)\displaystyle \lim_{x\to-2^-}g(x)=\lim_{x\to-2^-}f(x)f(x-1)=-4t(t-2)f(-3)이므로 x=−2\displaystyle x=-2에서 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이 되려면f(−3)=−4f(−3)\displaystyle f(-3)=-4f(-3) 즉, f(−3)=f(1)=−4(t−1)(t+1)=0,  t=1\displaystyle f(-3)=f(1)=-4(t-1)(t+1)=0,\;t=1이다. ⋯ ②x=1\displaystyle x=1에서 g(x)\displaystyle g(x)는1) 함숫값 g(1)=f(1)f(0)=−4t(t+2)f(1)\displaystyle g(1)=f(1)f(0)=-4t(t+2)f(1)2) 좌극한 lim⁡x→1−g(x)=lim⁡x→1−f(x)f(x−1)=t(t+2)f(1)\displaystyle \lim_{x\to1^-}g(x)=\lim_{x\to1^-}f(x)f(x-1)=t(t+2)f(1)이므로 x=1\displaystyle x=1에서 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이 되려면−4f(1)=f(1)\displaystyle -4f(1)=f(1) 즉, f(1)=−4(t−1)(t+1)=0,  t=1\displaystyle f(1)=-4(t-1)(t+1)=0,\;t=1이다. ⋯ ③x=−1\displaystyle x=-1에서 g(x)\displaystyle g(x)는1) 함숫값 g(−1)=f(−1)f(−2)=t(t−2)f(−1)\displaystyle g(-1)=f(-1)f(-2)=t(t-2)f(-1)2) 좌극한 lim⁡x→−1−g(x)=lim⁡x→−1−f(x)f(x−1)=−4t(t−2)f(−1)\displaystyle \lim_{x\to-1^-}g(x)=\lim_{x\to-1^-}f(x)f(x-1)=-4t(t-2)f(-1)이므로 x=−1\displaystyle x=-1에서 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이 되려면f(−1)=−4f(−1)\displaystyle f(-1)=-4f(-1) 즉, f(−1)=(t−1)(t+1)=0,  t=1\displaystyle f(-1)=(t-1)(t+1)=0,\;t=1이다. ⋯ ④

+2.5점 · a=1\displaystyle a=1일 때, 주어진 조건을 만족하는 t\displaystyle t값의 집합을 구할 수 있다.

따라서 ①, ②, ③, ④에 의해서a=1\displaystyle a=1일 때, 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 실수 전체의 집합에서 연속이 되도록 하는 실수 t\displaystyle t의 집합은 {1}\displaystyle \{1\},

+5점 · a=32\displaystyle a=\frac32일 때, 실수 전체의 집합에서 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이 되기 위해서 연속성이 보장되어야 하는 2개 이상의 x\displaystyle x값에 대한 연속성을 확인할 수 있다.

[ii] a=1.5\displaystyle a=1.5일 때, 함수 g(x)=f(x)f(x−a)\displaystyle g(x)=f(x)f(x-a)는 [−2,2)\displaystyle [-2,2)에서f(x)\displaystyle f(x)는 x=0,  x=−2\displaystyle x=0,\;x=-2에서만 불연속이고, f(x−1.5)\displaystyle f(x-1.5)는 x=1.5,  x=−0.5\displaystyle x=1.5,\;x=-0.5에서만 불연속이 되므로g(x)\displaystyle g(x)가 x=0,x=−2,x=1.5,x=−0.5\displaystyle x=0,x=-2,x=1.5,x=-0.5에서 연속이 되면 [−2,2)\displaystyle [-2,2)에서 g(x)\displaystyle g(x)는 연속이 된다.x=0\displaystyle x=0에서 g(x)\displaystyle g(x)는1) 함숫값 g(0)=f(0)f(−1.5)=−4t(t+2)f(−1.5)\displaystyle g(0)=f(0)f(-1.5)=-4t(t+2)f(-1.5)2) 좌극한 lim⁡x→0−g(x)=lim⁡x→0−f(x)f(x−1.5)=t(t+2)×f(−1.5)\displaystyle \lim_{x\to0^-}g(x)=\lim_{x\to0^-}f(x)f(x-1.5)=t(t+2)\times f(-1.5)이므로 x=0\displaystyle x=0에서 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이 되려면−4f(−1.5)=f(−1.5)\displaystyle -4f(-1.5)=f(-1.5) 즉, f(−1.5)=(t−1.5)(t+0.5)=0,  t=1.5\displaystyle f(-1.5)=(t-1.5)(t+0.5)=0,\;t=1.5이다. ⋯ ⑤x=−2\displaystyle x=-2에서 g(x)\displaystyle g(x)는1) 함숫값 g(−2)=f(−2)f(−3.5)=t(t−2)f(−3.5)\displaystyle g(-2)=f(-2)f(-3.5)=t(t-2)f(-3.5)2) 좌극한 lim⁡x→−2−g(x)=lim⁡x→−2−f(x)f(x−1.5)=−4t(t−2)f(−3.5)\displaystyle \lim_{x\to-2^-}g(x)=\lim_{x\to-2^-}f(x)f(x-1.5)=-4t(t-2)f(-3.5)이므로 x=−2\displaystyle x=-2에서 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이 되려면f(−3.5)=−4f(−3.5)\displaystyle f(-3.5)=-4f(-3.5)즉, f(−3.5)=f(0.5)=−4(t−0.5)(t+1.5)=0,  t=0.5\displaystyle f(-3.5)=f(0.5)=-4(t-0.5)(t+1.5)=0,\;t=0.5이다. ⋯ ⑥

+2.5점 · a=32\displaystyle a=\frac32일 때, 주어진 조건을 만족하는 t\displaystyle t값의 집합을 구할 수 있다.

x=1.5,  x=−0.5\displaystyle x=1.5,\;x=-0.5에서 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이 되는 조건과 상관없이⑤, ⑥에 의해서 a=1.5\displaystyle a=1.5일 때, g(x)\displaystyle g(x)가 실수 전체의 집합에서 연속이 되도록 하는 실수 t\displaystyle t는 존재하지 않는다.그러므로a=1\displaystyle a=1일 때, 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 실수 전체의 집합에서 연속이 되도록 하는 실수 t\displaystyle t의 집합은 {1}\displaystyle \{1\},a=1.5\displaystyle a=1.5일 때, 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 실수 전체의 집합에서 연속이 되도록 하는 실수 t\displaystyle t의 집합은 ∅\displaystyle \varnothing이다.

+6점 · a=2\displaystyle a=2일 때, 실수 전체의 집합에서 g(x)\displaystyle g(x)가 연속이 되기 위해서 연속성이 보장되어야 하는 2개의 x\displaystyle x값에 대한 연속성을 확인하여 주어진 명제가 참임을 보일 수 있다.

[2-2]a=2\displaystyle a=2일 때

주기가 4인 함수 f의 그래프

[−2,2)\displaystyle [-2,2)에서 f(x)\displaystyle f(x)는 x=0,  x=−2\displaystyle x=0,\;x=-2에서만 불연속이고,f(x−a)\displaystyle f(x-a)는 x=0,  x=−2\displaystyle x=0,\;x=-2에서만 불연속이 되므로g(x)\displaystyle g(x)가 x=0,  x=−2\displaystyle x=0,\;x=-2에서 연속이 되면 [−2,2)\displaystyle [-2,2)에서 g(x)\displaystyle g(x)는 연속이 된다.x=0\displaystyle x=0에서 g(x)\displaystyle g(x)는1) 함숫값 g(0)=f(0)f(−2)=−4t2(t+2)(t−2)\displaystyle g(0)=f(0)f(-2)=-4t^2(t+2)(t-2)2) 좌극한 lim⁡x→0−g(x)=lim⁡x→0−f(x)f(x−2)=−4t2(t+2)(t−2)\displaystyle \lim_{x\to0^-}g(x)=\lim_{x\to0^-}f(x)f(x-2)=-4t^2(t+2)(t-2)이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 x=0\displaystyle x=0에서 연속이다.x=−2\displaystyle x=-2에서 g(x)\displaystyle g(x)는1) 함숫값 g(−2)=f(−2)f(−4)=f(−2)f(0)=−4t2(t+2)(t−2)\displaystyle g(-2)=f(-2)f(-4)=f(-2)f(0)=-4t^2(t+2)(t-2)2) 좌극한 lim⁡x→−2−g(x)=lim⁡x→−2−f(x)f(x−2)=−4t2(t+2)(t−2)\displaystyle \lim_{x\to-2^-}g(x)=\lim_{x\to-2^-}f(x)f(x-2)=-4t^2(t+2)(t-2)이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 x=−2\displaystyle x=-2에서 연속이다.따라서 a=2\displaystyle a=2이면 t\displaystyle t의 값에 관계없이 [−2,2)\displaystyle [-2,2)에서 g(x)\displaystyle g(x)는 연속이다.

+5점 · a=2,  0<t<2\displaystyle a=2,\;0<t<2일 때 g(x)\displaystyle g(x)와 그 때의 h(t)\displaystyle h(t)를 구할 수 있다.

a=2,  0<t<2\displaystyle a=2,\;0<t<2이면 구간 [0,2)\displaystyle [0,2)에서 g(x)\displaystyle g(x)는g(x)=f(x)f(x−2)=−4(x−t)(x−t−2)×(x−2+t)(x+t)=−4(x−t)(x+t)(x−t−2)(x+t−2)\displaystyle \begin{aligned}g(x)=f(x)f(x-2)&=-4(x-t)(x-t-2)\times(x-2+t)(x+t)\\&=-4(x-t)(x+t)(x-t-2)(x+t-2)\end{aligned}이므로

함수 g의 그래프

h(t)=∫02g(x) dx=−4∫02(x2−t2)(x2−4x−t2+4) dx=−4∫02{x4−4x3+(4−2t2)x2+4t2x+t4−4t2} dx\displaystyle \begin{aligned}h(t)=\int_0^2 g(x)\,dx&=-4\int_0^2(x^2-t^2)(x^2-4x-t^2+4)\,dx\\&=-4\int_0^2\{x^4-4x^3+(4-2t^2)x^2+4t^2x+t^4-4t^2\}\,dx\end{aligned}에서h(t)=−4×{83(4−2t2)+8t2+(t4−4t2)×2−485}\displaystyle h(t)=-4\times\left\{\frac83(4-2t^2)+8t^2+(t^4-4t^2)\times2-\frac{48}5\right\}

+4점 · h(t)\displaystyle h(t)의 도함수를 이용하여 h(t)\displaystyle h(t)가 극대가 되는 x\displaystyle x의 값을 구할 수 있다.

Correction. 채점기준의 x\displaystyle x는 t\displaystyle t의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

h′(t)=−4×(8t3−323t)=−32t×(t2−43)\displaystyle h^{\prime}(t)=-4\times\left(8t^3-\frac{32}3t\right)=-32t\times\left(t^2-\frac43\right)따라서 S(t)=∫02g(x) dx\displaystyle S(t)=\int_0^2 g(x)\,dx가 극대가 되는 t\displaystyle t의 값은 t=233\displaystyle t=\frac{2\sqrt3}3이다.Correction. S(t)\displaystyle S(t)는 h(t)\displaystyle h(t)의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

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