수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 함수 f(x)=∣x−32∣−32\displaystyle f(x)=\left|x-\frac{\sqrt3}{2}\right|-\frac{\sqrt3}{2}에 대한 다음 물음에 각각 답하시오.

(2-1) (70점) 닫힌 구간 [−π,π]\displaystyle [-\pi,\pi]에서 정의되는 함수 g(x)=f(sin⁡x)\displaystyle g(x)=f(\sin x)의 그래프를 좌표평면에 그리고 정적분 ∫−π0g(x)dx\displaystyle \int_{-\pi}^0g(x)dx와 ∫0πg(x)dx\displaystyle \int_0^\pi g(x)dx의 값을 각각 구하시오.

(2-2) (80점) h(x)=f(sin⁡αx)\displaystyle h(x)=f(\sin\alpha x)라 정의할 때, 열린 구간 (−π,π)\displaystyle (-\pi,\pi)에 속하는 실수 x\displaystyle x에 대하여 h(x)\displaystyle h(x)가 극솟값을 갖지 않도록 하는 실수 α\displaystyle \alpha의 최댓값을 구하시오.

(2-3) (80점) 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 정의되는 함수 F(x)=∫0xf(sin⁡6t)dt\displaystyle F(x)=\int_0^xf(\sin6t)dt의 최솟값과 최댓값을 각각 구하시오.

해설강의 준비중
+30점 · 그래프를 그리면

(2-1) 구간 [−π,π]\displaystyle [-\pi,\pi]에 속하는 x\displaystyle x에 대하여 sin⁡x≥32\displaystyle \sin x\ge\frac{\sqrt3}{2}일 필요충분조건이 π3≤x≤2π3\displaystyle \frac\pi3\le x\le\frac{2\pi}3이므로 g(x)={sin⁡x−3(π3≤x≤2π3)−sin⁡x(그 외의 경우)\displaystyle g(x)=\begin{cases}\sin x-\sqrt3&(\frac\pi3\le x\le\frac{2\pi}3)\\-\sin x&(\text{그 외의 경우})\end{cases}이다. 따라서 함수 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프는 다음과 같다.

구간 [-π,π]에서 함수 g의 그래프
+20점 · ∫−π0g(x)dx=2\displaystyle \int_{-\pi}^0g(x)dx=2를 구하면

그러므로∫−π0g(x)dx=∫−π0(−sin⁡x)dx=[cos⁡x]−π0=2\displaystyle \int_{-\pi}^0g(x)dx=\int_{-\pi}^0(-\sin x)dx=\Biggl[\cos x\Biggr]_{-\pi}^0=2이고, 그래프의 대칭성을 이용하여 계산하면 다음을 얻는다.

+20점 · ∫0πg(x)dx=−3π3\displaystyle \int_0^\pi g(x)dx=-\frac{\sqrt3\pi}{3}를 구하면

∫0πg(x)dx=2{∫0π3(−sin⁡x)dx+∫π3π2(sin⁡x−3)dx}=2[cos⁡x]0π3+2[−cos⁡x−3x]π3π2=−3π3\displaystyle \begin{aligned}\int_0^\pi g(x)dx&=2\left\{\int_0^{\frac\pi3}(-\sin x)dx+\int_{\frac\pi3}^{\frac\pi2}(\sin x-\sqrt3)dx\right\}\\&=2\Biggl[\cos x\Biggr]_0^{\frac\pi3}+2\Biggl[-\cos x-\sqrt3x\Biggr]_{\frac\pi3}^{\frac\pi2}=-\frac{\sqrt3\pi}{3}\end{aligned}

+30점 · α=13\displaystyle \alpha=\frac13일 때 극솟값이 없음을 설명하면

(2-2) α=13\displaystyle \alpha=\frac13이면 h(x)=−sin⁡x3\displaystyle h(x)=-\sin\frac x3이고 이 함수는 구간 (−π,π)\displaystyle (-\pi,\pi)에서 감소하므로 극솟값을 갖지 않는다.

+30점 · α>13\displaystyle \alpha>\frac13일 때 x=π3α\displaystyle x=\frac\pi{3\alpha}에서 극소임을 설명하면

그렇지만 α>13\displaystyle \alpha>\frac13이면 p(x)=sin⁡αx−32\displaystyle p(x)=\sin\alpha x-\frac{\sqrt3}{2}이라 할 때, 구간 (0,π2α)\displaystyle (0,\frac\pi{2\alpha})에서 p′(x)=αcos⁡αx>0\displaystyle p^{\prime}(x)=\alpha\cos\alpha x>0이므로 p(x)\displaystyle p(x)는 증가하며 p(π3α)=0\displaystyle p(\frac\pi{3\alpha})=0이다. 그러므로 구간 (0,π3α)\displaystyle (0,\frac\pi{3\alpha})에서 p(x)<0\displaystyle p(x)<0이고 구간 (π3α,π2α)\displaystyle (\frac\pi{3\alpha},\frac\pi{2\alpha})에서 p(x)>0\displaystyle p(x)>0이다. 따라서h(x)=f(sin⁡αx)=∣sin⁡αx−32∣−32=∣p(x)∣−32\displaystyle h(x)=f(\sin\alpha x)=\left|\sin\alpha x-\frac{\sqrt3}{2}\right|-\frac{\sqrt3}{2}=|p(x)|-\frac{\sqrt3}{2}은 구간 (0,π3α)\displaystyle (0,\frac\pi{3\alpha})에서 감소하고 구간 (π3α,π2α)\displaystyle (\frac\pi{3\alpha},\frac\pi{2\alpha})에서 증가하므로, h(x)\displaystyle h(x)는 x=π3α\displaystyle x=\frac\pi{3\alpha}에서 극솟값 −32\displaystyle -\frac{\sqrt3}{2}을 갖는다. (즉, sin⁡αx=32\displaystyle \sin\alpha x=\frac{\sqrt3}{2}이 되는 점에서 그래프가 꺾인다.)

+20점 · h(x)\displaystyle h(x)가 극솟값을 갖지 않도록 하는 실수 α\displaystyle \alpha의 최댓값 13\displaystyle \frac13을 구하면

따라서 h(x)\displaystyle h(x)가 극솟값을 갖지 않도록 하는 실수 α\displaystyle \alpha의 최댓값은 13\displaystyle \frac13이다.

(2-3) (2-1)에서 구한 곡선 y=f(sin⁡x)\displaystyle y=f(\sin x)의 그래프를 이용하면 곡선 y=f(sin⁡6x)\displaystyle y=f(\sin6x)의 그래프는 다음과 같다.

함수 y=f(sin6x)의 그래프

그림에서 ∣∫0π6f(sin⁡6t)dt∣<∫π6π3f(sin⁡u)du\displaystyle \left|\int_0^{\frac\pi6}f(\sin6t)dt\right|<\int_{\frac\pi6}^{\frac\pi3}f(\sin u)du이므로, 위의 그래프와 함수 f(sin⁡x)\displaystyle f(\sin x)의 주기성을 이용하면 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 F(x)=∫0xf(sin⁡6t)dt\displaystyle F(x)=\int_0^xf(\sin6t)dt의 최솟값은 F(π6)\displaystyle F(\frac\pi6), 최댓값은 F(π)\displaystyle F(\pi)임을 쉽게 알 수 있다. 이제 (2-1)의 풀이에서 구한Correction. 넓이를 비교하는 부등식의 오른쪽 적분에서 f(sin⁡u)\displaystyle f(\sin u)는 f(sin⁡6u)\displaystyle f(\sin6u)의 오기이다. 그러나 원문 표기는 그대로 실었다.∫−π0f(sin⁡x)dx=2\displaystyle \int_{-\pi}^0f(\sin x)dx=2, ∫0πf(sin⁡x)dx=−3π3\displaystyle \int_0^\pi f(\sin x)dx=-\frac{\sqrt3\pi}{3}및 치환적분과 함수의 주기성을 이용하면 다음과 같이 각각 계산된다.

+40점 · 최솟값 F(π6)=−3π18\displaystyle F(\frac\pi6)=-\frac{\sqrt3\pi}{18}를 구하면

최솟값: F(π6)=∫0π6f(sin⁡6t)dt=16∫0πf(sin⁡u)du=−3π18\displaystyle F(\frac\pi6)=\int_0^{\frac\pi6}f(\sin6t)dt=\frac16\int_0^\pi f(\sin u)du=-\frac{\sqrt3\pi}{18}

+40점 · 최댓값 F(π)=1−3π6\displaystyle F(\pi)=1-\frac{\sqrt3\pi}{6}를 구하면

최댓값: F(π)=∫0πf(sin⁡6t)dt=3∫0π/3f(sin⁡6t)dt=36∫02πf(sin⁡u)du=12∫−ππf(sin⁡u)du=1−3π6\displaystyle \begin{aligned}F(\pi)&=\int_0^\pi f(\sin6t)dt=3\int_0^{\pi/3}f(\sin6t)dt\\&=\frac36\int_0^{2\pi}f(\sin u)du=\frac12\int_{-\pi}^\pi f(\sin u)du=1-\frac{\sqrt3\pi}{6}\end{aligned}

참고: 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 곡선 y=F(x)=∫0xf(sin⁡6t)dt\displaystyle y=F(x)=\int_0^xf(\sin6t)dt의 그래프의 개형은 다음과 같다.

정적분 함수 F의 그래프와 각 극값

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