수리논술, 이게 다다.

자연계열 B 2번

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문제

[문제 2] 실수 전체의 집합에서 정의된 함수 f(x)=(1+∣x∣3)−2\displaystyle f(x)=(1+|x|^3)^{-2}에 대하여 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 다음과 같이 정의한다.g(x)=∫xx+4f(t)dt\displaystyle g(x)=\int_x^{x+4}f(t)dt

(2-1) f′(x)<0\displaystyle f\prime(x)<0을 만족시키는 실수 x\displaystyle x의 값의 범위를 구하시오. 또한 f′′(x)<0\displaystyle f\prime\prime(x)<0을 만족시키는 실수 x\displaystyle x의 값의 범위를 구하시오. (70점)

(2-2) 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 개형을 그리시오. 또한 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 최댓값을 가질 때, a\displaystyle a의 값을 구하시오. (80점)

(2-3) (2-2)의 a\displaystyle a에 대하여 ∫0at3f(t)dt=S\displaystyle \int_0^at^3f(t)dt=S라고 할 때, g(a)−4S\displaystyle g(a)-4S의 값을 구하시오. (80점)

해설강의 준비중
+10점 · x≠0\displaystyle x\ne0일 때 f′(x)\displaystyle f\prime(x)을 구하면

(2-1) f(x)={(1+x3)−2(x≥0)(1−x3)−2(x<0)\displaystyle f(x)=\begin{cases}(1+x^3)^{-2}&(x\ge0)\\(1-x^3)^{-2}&(x<0)\end{cases}이므로 f′(x)={−6x2(1+x3)−3(x>0)6x2(1−x3)−3(x<0)\displaystyle f\prime(x)=\begin{cases}-6x^2(1+x^3)^{-3}&(x>0)\\6x^2(1-x^3)^{-3}&(x<0)\end{cases}이다.

+10점 · f′(0)=0\displaystyle f\prime(0)=0을 구하면

한편lim⁡x→0+f(x)−f(0)x=lim⁡x→0+1x{1(1+x3)2−1}=lim⁡x→0+1x{−2x3−x6(1+x3)2}=0\displaystyle \lim_{x\to0+}\frac{f(x)-f(0)}x=\lim_{x\to0+}\frac1x\{\frac1{(1+x^3)^2}-1\}=\lim_{x\to0+}\frac1x\{\frac{-2x^3-x^6}{(1+x^3)^2}\}=0lim⁡x→0−f(x)−f(0)x=lim⁡x→0−1x{1(1−x3)2−1}=lim⁡x→0−1x{2x3−x6(1−x3)2}=0\displaystyle \lim_{x\to0-}\frac{f(x)-f(0)}x=\lim_{x\to0-}\frac1x\{\frac1{(1-x^3)^2}-1\}=\lim_{x\to0-}\frac1x\{\frac{2x^3-x^6}{(1-x^3)^2}\}=0이므로 f′(0)=0\displaystyle f\prime(0)=0이다.

+10점 · f′(x)<0\displaystyle f\prime(x)<0이면 x>0\displaystyle x>0

따라서 f′(x)<0\displaystyle f\prime(x)<0을 만족시키는 x\displaystyle x의 값의 범위는 x>0\displaystyle x>0이다.

+20점 · x≠0\displaystyle x\ne0일 때 f′′(x)\displaystyle f\prime\prime(x)을 구하면

한편 x>0\displaystyle x>0이면f′′(x)=−12x(1+x3)−3+54x4(1+x3)−4=6x(1+x3)−4(−2+7x3)\displaystyle f\prime\prime(x)=-12x(1+x^3)^{-3}+54x^4(1+x^3)^{-4}=6x(1+x^3)^{-4}(-2+7x^3)이고, x<0\displaystyle x<0이면f′′(x)=12x(1−x3)−3+54x4(1−x3)−4=6x(1−x3)−4(2+7x3)\displaystyle f\prime\prime(x)=12x(1-x^3)^{-3}+54x^4(1-x^3)^{-4}=6x(1-x^3)^{-4}(2+7x^3)

+10점 · f′′(0)=0\displaystyle f\prime\prime(0)=0을 구하면

이며,lim⁡x→0+f′(x)−f′(0)x=lim⁡x→0+(−1x)×6x2(1+x3)−3=0\displaystyle \lim_{x\to0+}\frac{f\prime(x)-f\prime(0)}x=\lim_{x\to0+}(-\frac1x)\times6x^2(1+x^3)^{-3}=0lim⁡x→0−f′(x)−f′(0)x=lim⁡x→0−1x×6x2(1−x3)−3=0\displaystyle \lim_{x\to0-}\frac{f\prime(x)-f\prime(0)}x=\lim_{x\to0-}\frac1x\times6x^2(1-x^3)^{-3}=0이므로 f′′(0)=0\displaystyle f\prime\prime(0)=0이다.

+10점 · f′′(x)<0\displaystyle f\prime\prime(x)<0이면 −273<x<0\displaystyle -\sqrt[3]{\frac27}<x<0 또는 0<x<273\displaystyle 0<x<\sqrt[3]{\frac27}

따라서f′′(x)<0⇔0<x3<27\displaystyle f\prime\prime(x)<0\Leftrightarrow0<x^3<\frac27 또는 −27<x3<0\displaystyle -\frac27<x^3<0이다. 그러므로 f′′(x)<0\displaystyle f\prime\prime(x)<0을 만족시키는 x\displaystyle x의 값의 범위는 −273<x<0\displaystyle -\sqrt[3]{\frac27}<x<0 또는 0<x<273\displaystyle 0<x<\sqrt[3]{\frac27}이다.

(2-2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 실수 전체의 집합에서 정의되며, f(x)>0\displaystyle f(x)>0이므로 그래프는 x\displaystyle x축 위쪽에 있다. 또한 f(x)=f(−x)\displaystyle f(x)=f(-x)이므로 그래프는 y\displaystyle y축에 대하여 대칭이고 f(0)=1\displaystyle f(0)=1이므로 y\displaystyle y축과의 교점은 (0,1)\displaystyle (0,1)이다. 한편 (2-1)의 결과를 이용하면 다음과 같은 증감표를 얻는다.

x\displaystyle x⋯\displaystyle \cdots−273\displaystyle -\sqrt[3]{\frac27}⋯\displaystyle \cdots0\displaystyle 0⋯\displaystyle \cdots273\displaystyle \sqrt[3]{\frac27}⋯\displaystyle \cdots
f′(x)\displaystyle f\prime(x)+\displaystyle ++\displaystyle ++\displaystyle +0\displaystyle 0−\displaystyle -−\displaystyle -−\displaystyle -
f′′(x)\displaystyle f\prime\prime(x)+\displaystyle +0\displaystyle 0−\displaystyle -0\displaystyle 0−\displaystyle -0\displaystyle 0+\displaystyle +
f(x)\displaystyle f(x)변곡점극대변곡점

+30점 · 증감, 볼록성, 점근선을 설명하고 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프를 그리면

즉, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x<0\displaystyle x<0일 때 증가하고, x>0\displaystyle x>0일 때 감소하며, 구간 (−273,273)\displaystyle (-\sqrt[3]{\frac27},\sqrt[3]{\frac27})에서 위로 볼록하다. 또한 lim⁡x→∞f(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=0, lim⁡x→−∞f(x)=0\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=0이므로 그래프의 점근선은 x\displaystyle x축이다. 따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프의 개형은 다음과 같다.

대칭인 함수 f의 그래프와 두 변곡점

한편 함수 g(x)=∫xx+4f(t)dt\displaystyle g(x)=\int_x^{x+4}f(t)dt의 도함수는 g′(x)=f(x+4)−f(x)\displaystyle g\prime(x)=f(x+4)-f(x)이다. 따라서g′(x)=0⇔f(x+4)=f(x)⇔1+∣x∣3=1+∣x+4∣3⇔∣x∣=∣x+4∣⇔x=−2\displaystyle g\prime(x)=0\Leftrightarrow f(x+4)=f(x)\Leftrightarrow1+|x|^3=1+|x+4|^3\Leftrightarrow|x|=|x+4|\Leftrightarrow x=-2에서, x<−2\displaystyle x<-2이면 f(x+4)>f(x)\displaystyle f(x+4)>f(x)이고, x>−2\displaystyle x>-2이면 f(x+4)<f(x)\displaystyle f(x+4)<f(x)이다. (아래 그림 참고)

x<−2일 때 구간 양 끝의 함수값 비교
x>−2일 때 구간 양 끝의 함수값 비교
+30점 · g′(x)\displaystyle g\prime(x)는 x<−2\displaystyle x<-2일 때 양수이고, x>−2\displaystyle x>-2일 때 음수임을 설명하면

그러므로 g′(x)\displaystyle g\prime(x)는 x<−2\displaystyle x<-2일 때 양수이고, x>−2\displaystyle x>-2일 때 음수이다. 즉 g(x)\displaystyle g(x)는 x<−2\displaystyle x<-2일 때 증가하고 x>−2\displaystyle x>-2일 때 감소하므로, 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 x=−2\displaystyle x=-2일 때 최댓값을 가진다.

+20점 · a=−2\displaystyle a=-2임을 구하면

즉 a=−2\displaystyle a=-2이다.

(참고) 함수 g(x)=∫xx+4f(t)dt\displaystyle g(x)=\int_x^{x+4}f(t)dt의 도함수는 g′(x)=f(x+4)−f(x)\displaystyle g\prime(x)=f(x+4)-f(x)이다. 한편f(x+4)−f(x)=1(1+∣x+4∣3)2−1(1+∣x∣3)2=(1+∣x∣3)2−(1+∣x+4∣3)2(1+∣x∣3)2(1+∣x+4∣3)2=(∣x∣3−∣x+4∣3)(2+∣x∣3+∣x+4∣3)(1+∣x∣3)2(1+∣x+4∣3)2\displaystyle \begin{aligned}f(x+4)-f(x)&=\frac1{(1+|x+4|^3)^2}-\frac1{(1+|x|^3)^2}=\frac{(1+|x|^3)^2-(1+|x+4|^3)^2}{(1+|x|^3)^2(1+|x+4|^3)^2}\\&=\frac{(|x|^3-|x+4|^3)(2+|x|^3+|x+4|^3)}{(1+|x|^3)^2(1+|x+4|^3)^2}\end{aligned}이고, 2+∣x∣3+∣x+4∣3(1+∣x∣3)2(1+∣x+4∣3)2>0\displaystyle \frac{2+|x|^3+|x+4|^3}{(1+|x|^3)^2(1+|x+4|^3)^2}>0이므로,g′(x)>0⇔∣x∣3>∣x+4∣3⇔x<−2\displaystyle g\prime(x)>0\Leftrightarrow|x|^3>|x+4|^3\Leftrightarrow x<-2이다. 즉 g(x)\displaystyle g(x)는 x<−2\displaystyle x<-2일 때 증가하고 x>−2\displaystyle x>-2일 때 감소하므로, 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 x=−2\displaystyle x=-2일 때 최댓값을 가진다. 즉 a=−2\displaystyle a=-2이다.

+20점 · g(a)=−2∫0−2f(t)dt\displaystyle g(a)=-2\int_0^{-2}f(t)dt임을 보이면

(2-3) f(t)=f(−t)\displaystyle f(t)=f(-t)임을 이용하면g(a)=g(−2)=∫−22f(t)dt=2∫−20f(t)dt=−2∫0−2f(t)dt\displaystyle g(a)=g(-2)=\int_{-2}^2f(t)dt=2\int_{-2}^0f(t)dt=-2\int_0^{-2}f(t)dt이다. 또한

+30점 · S=−227−13∫0−211−t3dt\displaystyle S=-\frac2{27}-\frac13\int_0^{-2}\frac1{1-t^3}dt

S=∫0−2t3(1−t3)2dt=∫0−213t×3t2(1−t3)2dt=[13t(1−t3)−1]0−2−13∫0−211−t3dt=−227−13∫0−21(1−t3)2dt+13∫0−2t3(1−t3)2dt=−227−13∫0−2f(t)dt+13S=−227+16g(a)+13S\displaystyle \begin{aligned}S&=\int_0^{-2}\frac{t^3}{(1-t^3)^2}dt=\int_0^{-2}\frac13t\times\frac{3t^2}{(1-t^3)^2}dt=\Biggl[\frac13t(1-t^3)^{-1}\Biggr]_0^{-2}-\frac13\int_0^{-2}\frac1{1-t^3}dt\\&=-\frac2{27}-\frac13\int_0^{-2}\frac1{(1-t^3)^2}dt+\frac13\int_0^{-2}\frac{t^3}{(1-t^3)^2}dt=-\frac2{27}-\frac13\int_0^{-2}f(t)dt+\frac13S\\&=-\frac2{27}+\frac16g(a)+\frac13S\end{aligned}

+30점 · g(a)−4S=49\displaystyle g(a)-4S=\frac49를 구하면

이므로 g(a)−4S=49\displaystyle g(a)-4S=\frac49이다.

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