수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+30점 · 그래프를 그리면

(2-1) 구간 [π,π]\displaystyle [-\pi,\pi]에 속하는 x\displaystyle x에 대하여 sinx32\displaystyle \sin x\ge\frac{\sqrt3}{2}일 필요충분조건이 π3x2π3\displaystyle \frac\pi3\le x\le\frac{2\pi}3이므로 g(x)={sinx3(π3x2π3)sinx(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

그러므로π0g(x)dx=π0(sinx)dx=[cosx]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(sinx)dx+π3π2(sinx3)dx}=2[cosx]0π3+2[cosx3x]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)=sinx3\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)=sinαx32\displaystyle p(x)=\sin\alpha x-\frac{\sqrt3}{2}이라 할 때, 구간 (0,π2α)\displaystyle (0,\frac\pi{2\alpha})에서 p(x)=αcosαx>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(sinαx)=sinαx3232=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)x=π3α\displaystyle x=\frac\pi{3\alpha}에서 극솟값 32\displaystyle -\frac{\sqrt3}{2}을 갖는다. (즉, sinαx=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(sinx)\displaystyle y=f(\sin x)의 그래프를 이용하면 곡선 y=f(sin6x)\displaystyle y=f(\sin6x)의 그래프는 다음과 같다.

함수 y=f(sin6x)의 그래프

그림에서 0π6f(sin6t)dt<π6π3f(sinu)du\displaystyle \left|\int_0^{\frac\pi6}f(\sin6t)dt\right|<\int_{\frac\pi6}^{\frac\pi3}f(\sin u)du이므로, 위의 그래프와 함수 f(sinx)\displaystyle f(\sin x)의 주기성을 이용하면 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 F(x)=0xf(sin6t)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(sinu)\displaystyle f(\sin u)f(sin6u)\displaystyle f(\sin6u)의 오기이다. 그러나 원문 표기는 그대로 실었다.π0f(sinx)dx=2\displaystyle \int_{-\pi}^0f(\sin x)dx=2, 0πf(sinx)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(sin6t)dt=160πf(sinu)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)=13π6\displaystyle F(\pi)=1-\frac{\sqrt3\pi}{6}를 구하면

최댓값: F(π)=0πf(sin6t)dt=30π/3f(sin6t)dt=3602πf(sinu)du=12ππf(sinu)du=13π6\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(sin6t)dt\displaystyle y=F(x)=\int_0^xf(\sin6t)dt의 그래프의 개형은 다음과 같다.

정적분 함수 F의 그래프와 각 극값

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