수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 B 3번

문제

[문제 3] 모든 실수 x\displaystyle x에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x), h(x)\displaystyle h(x), p(x)\displaystyle p(x), q(x)\displaystyle q(x)에 대하여 다음 물음에 각각 답하시오.

(3-1) 함수 f(x)=aebx\displaystyle f(x)=ae^{bx}은 다음 조건을 만족시킨다.

(가) f(0)=2\displaystyle f(0)=2

(나) f(x)=5f(x)\displaystyle f\prime(x)=5f(x)

상수 a\displaystyle ab\displaystyle b의 값을 각각 구하시오. (단, a0\displaystyle a\ne0, b0\displaystyle b\ne0이다.) (60점)

(3-2) 함수 p(x)\displaystyle p(x)q(x)\displaystyle q(x)는 다음 조건을 만족시킨다.

(가) p(x)0\displaystyle p(x)\ge0, q(x)0\displaystyle q(x)\ge0

(나) {p(x)}2+{q(x)}2=4\displaystyle \{p(x)\}^2+\{q(x)\}^2=4

정적분 01p(x)q(x)dx\displaystyle \int_0^1p(x)q(x)\,dx의 최댓값을 구하시오. (60점)

(3-3) 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 다음을 만족시킨다.

(가) g(x)0\displaystyle g(x)\ge0

(나) 02{g(x)}2dx=6\displaystyle \int_0^2\{g(x)\}^2\,dx=6

정적분 02g(x)x3+1dx\displaystyle \int_0^2g(x)\sqrt{x^3+1}\,dx의 최댓값을 구하시오. (60점)

(3-4) 함수 h(x)\displaystyle h(x)의 도함수 h(x)\displaystyle h\prime(x)는 모든 실수 x\displaystyle x에서 연속이다. 다음 조건을 만족시키는 함수 h(x)\displaystyle h(x)와 실수 k\displaystyle k에 대하여 h(k)\displaystyle h(k)의 최댓값을 구하시오. (60점)

(가) h(x)0,h(x)0\displaystyle h(x)\ge0,\quad h\prime(x)\ge0

(나) h(0)=2\displaystyle h(0)=2

(다) 0k(9{h(x)}2+4{h(x)}2)dx=6\displaystyle \int_0^k(9\{h(x)\}^2+4\{h\prime(x)\}^2)\,dx=6

해설강의 준비중

[문제 3]

+20점 · a=2\displaystyle a=2

(3-1) a=f(0)=2\displaystyle a=f(0)=2에서 a=2\displaystyle a=2이다.

+40점 · b=5\displaystyle b=5

f(x)=abebx=5f(x)=5aebx\displaystyle f\prime(x)=abe^{bx}=5f(x)=5ae^{bx}에서 b=5\displaystyle b=5이다.

20점 · p(x)q(x){p(x)}2+{q(x)}22\displaystyle p(x)q(x)\le\frac{\{p(x)\}^2+\{q(x)\}^2}2까지

(3-2) 산술평균과 기하평균과의 관계를 이용하면p(x)q(x){p(x)}2+{q(x)}22=42=2\displaystyle p(x)q(x)\le\frac{\{p(x)\}^2+\{q(x)\}^2}2=\frac42=2

이므로 p(x)q(x)\displaystyle p(x)q(x)의 값은 2이하이다.

(절대부등식 {p(x)}22p(x)q(x)+{q(x)}2=(p(x)q(x))20\displaystyle \{p(x)\}^2-2p(x)q(x)+\{q(x)\}^2=(p(x)-q(x))^2\ge0을 이용하여 증명해도 된다.)

그러므로 2p(x)q(x)0\displaystyle 2-p(x)q(x)\ge0이고

012dx01p(x)q(x)dx=01(2p(x)q(x))dx0\displaystyle \int_0^12\,dx-\int_0^1p(x)q(x)\,dx=\int_0^1(2-p(x)q(x))\,dx\ge0이다.

40점 · 01p(x)q(x)dx2\displaystyle \int_0^1p(x)q(x)\,dx\le2까지

따라서 01p(x)q(x)dx012dx=2\displaystyle \int_0^1p(x)q(x)\,dx\le\int_0^12\,dx=2인데,

60점 · p(x)=q(x)=2\displaystyle p(x)=q(x)=\sqrt2를 이용하여 최댓값이 2인 것까지

p(x)\displaystyle p(x)q(x)\displaystyle q(x)가 모두 상수함수 2\displaystyle \sqrt2이면, 이 식의 등호가 성립하며, p(x)\displaystyle p(x)q(x)\displaystyle q(x)는 문제의 조건을 모두 만족시킨다. 따라서 01p(x)q(x)dx\displaystyle \int_0^1p(x)q(x)\,dx의 최댓값은 2이다.

20점 · 2g(x)x3+1{g(x)}2+x3+1\displaystyle 2g(x)\sqrt{x^3+1}\le\{g(x)\}^2+x^3+1까지

(3-3) 0x2\displaystyle 0\le x\le2인 임의의 실수 x\displaystyle x에 대하여 {g(x)x3+1}20\displaystyle \{g(x)-\sqrt{x^3+1}\}^2\ge0임을 이용하면2g(x)x3+1{g(x)}2+x3+1(1)\displaystyle 2g(x)\sqrt{x^3+1}\le\{g(x)\}^2+x^3+1\qquad\cdots\text{(1)}

이다. (산술평균과 기하평균과의 관계를 이용해도 식 (1)이 보여진다.) 따라서

202g(x)x3+1dx02({g(x)}2+x3+1)dx(2)=02{g(x)}2dx+02(x3+1)dx=6+6=12\displaystyle \begin{aligned}2\int_0^2g(x)\sqrt{x^3+1}\,dx&\le\int_0^2(\{g(x)\}^2+x^3+1)\,dx\quad\cdots\text{(2)}\\&=\int_0^2\{g(x)\}^2\,dx+\int_0^2(x^3+1)\,dx\\&=6+6\\&=12\end{aligned}

이므로

40점 · 02g(x)x3+1dx6\displaystyle \int_0^2g(x)\sqrt{x^3+1}\,dx\le6까지

02g(x)x3+1dx6(3)\displaystyle \int_0^2g(x)\sqrt{x^3+1}\,dx\le6\qquad\cdots\text{(3)}

이다. 그런데 (1)의 등호는

g(x)=x3+1\displaystyle g(x)=\sqrt{x^3+1}

60점 · g(x)=x3+1\displaystyle g(x)=\sqrt{x^3+1}을 이용하여 최댓값이 6인 것까지

일 때 성립하고 이 때 식 (2), (3)의 등호도 모두 성립한다. 또한 함수 g(x)=x3+1\displaystyle g(x)=\sqrt{x^3+1}는 조건 (가), (나)를 모두 만족시킨다. 따라서 02g(x)x3+1dx\displaystyle \int_0^2g(x)\sqrt{x^3+1}\,dx의 최댓값은 6이다.

(3-4) (나)의 식에서 k>0\displaystyle k>0임이 분명하다. 또한 임의의 실수 x\displaystyle x에 대하여Correction. (3-4) 답안 첫머리의 “(나)의 식”은 “(다)의 식”, 마지막의 “조건 (가)”는 “조건 (나)”의 오기이다. 적분값이 6\displaystyle 6이라는 조건은 (다), h(0)=2\displaystyle h(0)=2라는 조건은 (나)에 주어져 있다. 원문 표기는 그대로 실었다.

12h(x)h(x)=23h(x)2h(x){3h(x)}2+{2h(x)}2=9{h(x)}2+4{h(x)}2\displaystyle 12h(x)h\prime(x)=2\cdot3h(x)\cdot2h\prime(x)\le\{3h(x)\}^2+\{2h\prime(x)\}^2=9\{h(x)\}^2+4\{h\prime(x)\}^2

이므로

15점 · 0k12h(x)h(x)dx6\displaystyle \int_0^k12h(x)h\prime(x)\,dx\le6까지

0k12h(x)h(x)dx0k(9{h(x)}2+4{h(x)}2)dx=6(4)\displaystyle \int_0^k12h(x)h\prime(x)\,dx\le\int_0^k(9\{h(x)\}^2+4\{h\prime(x)\}^2)\,dx=6\qquad\cdots\text{(4)}

이다. (산술-기하 평균을 이용하여 보일 수도 있다.)

이 때, t=h(x)\displaystyle t=h(x)로 두고 치환적분법을 이용하여 계산하면

0k12h(x)h(x)dx=60k2h(x)h(x)dx=6{h(k)2h(0)2}=6h(k)224\displaystyle \begin{aligned}\int_0^k12h(x)h\prime(x)\,dx&=6\int_0^k2h(x)h\prime(x)\,dx\\&=6\{h(k)^2-h(0)^2\}\\&=6h(k)^2-24\end{aligned}

이므로

30점 · {h(k)}25\displaystyle \{h(k)\}^2\le5까지

{h(k)}2306=5(5)\displaystyle \{h(k)\}^2\le\frac{30}6=5\qquad\cdots\text{(5)}

이다. 부등식 (4)의 등호는 3h(x)=2h(x)\displaystyle 3h(x)=2h\prime(x)일 때, 즉

h(x)=32h(x)(6)\displaystyle h\prime(x)=\frac32h(x)\qquad\cdots\text{(6)}

일 때 성립한다. 조건 (가)에서 h(0)=2\displaystyle h(0)=2를 만족해야하므로

40점 · h(x)=2e32x\displaystyle h(x)=2e^{\frac32x}까지

h(x)=2e32x\displaystyle h(x)=2e^{\frac32x}

50점 · e3k=54\displaystyle e^{3k}=\frac54 또는 k=13ln54\displaystyle k=\frac13\ln\frac54까지

라 하면 식 (6)이 성립하고, h(x)\displaystyle h(x)h(x)\displaystyle h\prime(x)를 식 (다)에 대입하여 e3k=54\displaystyle e^{3k}=\frac54를 얻고, 이를 풀어 k=13ln54\displaystyle k=\frac13\ln\frac54를 얻는다.

60점 · h(k)\displaystyle h(k)의 최댓값이 5\displaystyle \sqrt5인 것까지

이 때, h(k)=5\displaystyle h(k)=\sqrt5이다. 이 함수 h(x)=2e32x\displaystyle h(x)=2e^{\frac32x}와 실수 k=13ln54\displaystyle k=\frac13\ln\frac54는 문제의 조건을 모두 만족시키므로 h(k)\displaystyle h(k)의 최댓값은 5\displaystyle \sqrt5이다.

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