수리논술, 이게 다다.

자연계열 B 1번

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문제

[문제 1] 실수 전체의 집합에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 다음과 같이 정의하자.f(x)=∫π22π∣x−t∣cos⁡t2dt\displaystyle f(x)=\int_{\frac\pi2}^{2\pi}|x-t|\cos\frac t2dt

(1-1) f(π2)\displaystyle f(\frac\pi2)의 값을 구하시오. 또한 x<π2\displaystyle x<\frac\pi2일 때, f′(x)\displaystyle f\prime(x)를 구하시오. (70점)

(1-2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=α\displaystyle x=\alpha에서 최댓값을 가질 때, cos⁡α2\displaystyle \cos\frac\alpha2의 값을 구하시오. (80점)

(1-3) 곡선 y=f(x)−f(π2)\displaystyle y=f(x)-f(\frac\pi2)와 직선 y=2x+k\displaystyle y=\sqrt2x+k가 만나는 점의 개수가 1이 되도록 하는 실수 k\displaystyle k의 값을 모두 구하시오. (80점)

해설강의 준비중
+40점 · f(π2)=−4−22\displaystyle f(\frac\pi2)=-4-2\sqrt2를 구하면

(1-1) x=π2\displaystyle x=\frac\pi2일 때,f(π2)=∫π22π(t−π2)cos⁡t2dt=[2(t−π2)sin⁡t2]π22π−∫π22π2sin⁡t2dt=−[−4cos⁡t2]π22π=−4−22\displaystyle \begin{aligned}f\left(\frac\pi2\right)&=\int_{\frac\pi2}^{2\pi}\left(t-\frac\pi2\right)\cos\frac t2dt=\Biggl[2\left(t-\frac\pi2\right)\sin\frac t2\Biggr]_{\frac\pi2}^{2\pi}-\int_{\frac\pi2}^{2\pi}2\sin\frac t2dt\\&=-\Biggl[-4\cos\frac t2\Biggr]_{\frac\pi2}^{2\pi}=-4-2\sqrt2\end{aligned}이다.

+30점 · x<π2\displaystyle x<\frac\pi2일 때 f′(x)=2\displaystyle f\prime(x)=\sqrt2를 구하면

한편, x<π2\displaystyle x<\frac\pi2일 때f(x)=∫π22π(t−x)cos⁡t2dt=∫π22πtcos⁡t2dt−x∫π22πcos⁡t2dt\displaystyle f(x)=\int_{\frac\pi2}^{2\pi}(t-x)\cos\frac t2dt=\int_{\frac\pi2}^{2\pi}t\cos\frac t2dt-x\int_{\frac\pi2}^{2\pi}\cos\frac t2dt이므로 f′(x)=−∫π22πcos⁡t2dt=[−2sin⁡t2]π22π=2\displaystyle f\prime(x)=-\int_{\frac\pi2}^{2\pi}\cos\frac t2dt=\Biggl[-2\sin\frac t2\Biggr]_{\frac\pi2}^{2\pi}=\sqrt2이다.

+10점 · x>2π\displaystyle x>2\pi일 때 f′(x)=−2\displaystyle f\prime(x)=-\sqrt2를 구하면

(1-2) (1-1)에서 x<π2\displaystyle x<\frac\pi2일 때 f′(x)=2\displaystyle f\prime(x)=\sqrt2이고, x>2π\displaystyle x>2\pi일 때f(x)=∫π22π(x−t)cos⁡t2dt=x∫π22πcos⁡t2dt−∫π22πtcos⁡t2dt\displaystyle f(x)=\int_{\frac\pi2}^{2\pi}(x-t)\cos\frac t2dt=x\int_{\frac\pi2}^{2\pi}\cos\frac t2dt-\int_{\frac\pi2}^{2\pi}t\cos\frac t2dt이므로 f′(x)=∫π22πcos⁡t2dt=[2sin⁡t2]π22π=−2\displaystyle f\prime(x)=\int_{\frac\pi2}^{2\pi}\cos\frac t2dt=\Biggl[2\sin\frac t2\Biggr]_{\frac\pi2}^{2\pi}=-\sqrt2이다.

+30점 · π2≤x≤2π\displaystyle \frac\pi2\le x\le2\pi일 때 f′(x)=4sin⁡x2−2\displaystyle f\prime(x)=4\sin\frac x2-\sqrt2를 구하면

한편 π2≤x≤2π\displaystyle \frac\pi2\le x\le2\pi일 때,f(x)=∫π2x(x−t)cos⁡t2dt+∫x2π(t−x)cos⁡t2dt=x∫π2xcos⁡t2dt−∫π2xtcos⁡t2dt+∫x2πtcos⁡t2dt−x∫x2πcos⁡t2dt\displaystyle \begin{aligned}f(x)&=\int_{\frac\pi2}^x(x-t)\cos\frac t2dt+\int_x^{2\pi}(t-x)\cos\frac t2dt\\&=x\int_{\frac\pi2}^x\cos\frac t2dt-\int_{\frac\pi2}^xt\cos\frac t2dt+\int_x^{2\pi}t\cos\frac t2dt-x\int_x^{2\pi}\cos\frac t2dt\end{aligned}이다. 따라서 f′(x)=∫π2xcos⁡t2dt+xcos⁡x2−xcos⁡x2−xcos⁡x2−∫x2πcos⁡t2dt+xcos⁡x2=∫π2xcos⁡t2dt−∫x2πcos⁡t2dt=[2sin⁡t2]π2x−[2sin⁡t2]x2π=4sin⁡x2−2\displaystyle \begin{aligned}f\prime(x)&=\int_{\frac\pi2}^x\cos\frac t2dt+x\cos\frac x2-x\cos\frac x2-x\cos\frac x2-\int_x^{2\pi}\cos\frac t2dt+x\cos\frac x2\\&=\int_{\frac\pi2}^x\cos\frac t2dt-\int_x^{2\pi}\cos\frac t2dt\\&=\Biggl[2\sin\frac t2\Biggr]_{\frac\pi2}^x-\Biggl[2\sin\frac t2\Biggr]_x^{2\pi}=4\sin\frac x2-\sqrt2\end{aligned}이다. 즉f′(x)={2(x<π2)4sin⁡x2−2(π2≤x≤2π)−2(x>2π)\displaystyle f\prime(x)=\begin{cases}\sqrt2&(x<\frac\pi2)\\4\sin\frac x2-\sqrt2&(\frac\pi2\le x\le2\pi)\\-\sqrt2&(x>2\pi)\end{cases}이다.

+20점 · sin⁡α2=24\displaystyle \sin\frac\alpha2=\frac{\sqrt2}4를 구하면

따라서 f′(x)\displaystyle f\prime(x)는 sin⁡α2=24\displaystyle \sin\frac\alpha2=\frac{\sqrt2}4인 α\displaystyle \alpha에 대하여 x<α\displaystyle x<\alpha일 때 양수, x>α\displaystyle x>\alpha일 때 음수이므로, f(x)\displaystyle f(x)는 x=α\displaystyle x=\alpha일 때 최댓값을 가진다.

+20점 · cos⁡α2=−144\displaystyle \cos\frac\alpha2=-\frac{\sqrt{14}}4를 구하면

한편 π<α<2π\displaystyle \pi<\alpha<2\pi이므로 cos⁡α2=−144\displaystyle \cos\frac\alpha2=-\frac{\sqrt{14}}4이다.

(1-3) π2<x<2π\displaystyle \frac\pi2<x<2\pi일 때 f′′(x)=2cos⁡x2\displaystyle f\prime\prime(x)=2\cos\frac x2이다. 따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 증감 및 볼록성을 조사하면 아래 표와 같다.

x\displaystyle x⋯\displaystyle \cdotsπ2\displaystyle \frac\pi2⋯\displaystyle \cdotsπ\displaystyle \pi⋯\displaystyle \cdotsα\displaystyle \alpha⋯\displaystyle \cdots2π\displaystyle 2\pi⋯\displaystyle \cdots
f′(x)\displaystyle f\prime(x)+\displaystyle ++\displaystyle ++\displaystyle ++\displaystyle ++\displaystyle +0\displaystyle 0−\displaystyle -−\displaystyle -−\displaystyle -
f′′(x)\displaystyle f\prime\prime(x)0\displaystyle 0+\displaystyle +0\displaystyle 0−\displaystyle -−\displaystyle -−\displaystyle -0\displaystyle 0
f(x)\displaystyle f(x)↗\displaystyle \nearrow↗\displaystyle \nearrow변곡점↗\displaystyle \nearrow극댓값↘\displaystyle \searrow↘\displaystyle \searrow

이로부터 곡선 y=f(x)−f(π2)\displaystyle y=f(x)-f(\frac\pi2)의 개형이 아래와 같음을 알 수 있다.

곡선과 기울기가 루트2인 평행한 직선들의 교점
+30점 · 직선 y=2x+k\displaystyle y=\sqrt2x+k가 곡선 y=f(x)−f(π2)\displaystyle y=f(x)-f(\frac\pi2)에 접할 때와 기울기가 2\displaystyle \sqrt2이고 점 (π2,0)\displaystyle (\frac\pi2,0)을 지나는 직선보다 y\displaystyle y절편이 작을 때 주어진 조건을 만족함을 서술하면

따라서 직선 y=2x+k\displaystyle y=\sqrt2x+k가 곡선 y=f(x)−f(π2)\displaystyle y=f(x)-f(\frac\pi2)와 교점이 1개이기 위해서는 직선이 y=f(x)−f(π2)\displaystyle y=f(x)-f(\frac\pi2)에 접하거나, 기울기가 2\displaystyle \sqrt2이고 점 (π2,0)\displaystyle (\frac\pi2,0)을 지나는 직선보다 y\displaystyle y절편이 작아야 한다.

+30점 · 직선 y=2x+k\displaystyle y=\sqrt2x+k가 곡선 y=f(x)−f(π2)\displaystyle y=f(x)-f(\frac\pi2)에 접할 때 k=(8−52π)2\displaystyle k=(8-\frac52\pi)\sqrt2임을 구하면

직선 y=2x+k\displaystyle y=\sqrt2x+k가 y=f(x)−f(π2)\displaystyle y=f(x)-f(\frac\pi2)에 접할 때 그 접점의 x\displaystyle x좌표를 β\displaystyle \beta라 하면, 4sin⁡β2−2=2\displaystyle 4\sin\frac\beta2-\sqrt2=\sqrt2이고 π2<β<2π\displaystyle \frac\pi2<\beta<2\pi에서 sin⁡β2=22\displaystyle \sin\frac\beta2=\frac{\sqrt2}2, β=32π\displaystyle \beta=\frac32\pi이다. 한편f(32π)−f(12π)=∫π232π(4sin⁡t2−2)dt=[−8cos⁡t2−2t]π232π=82−2π\displaystyle f\left(\frac32\pi\right)-f\left(\frac12\pi\right)=\int_{\frac\pi2}^{\frac32\pi}\left(4\sin\frac t2-\sqrt2\right)dt=\Biggl[-8\cos\frac t2-\sqrt2t\Biggr]_{\frac\pi2}^{\frac32\pi}=8\sqrt2-\sqrt2\pi이므로, 직선 y=2x+k\displaystyle y=\sqrt2x+k가 점 (32π,f(32π)−f(π2))\displaystyle (\frac32\pi,f(\frac32\pi)-f(\frac\pi2))을 지날 때 k=(8−52π)2\displaystyle k=(8-\frac52\pi)\sqrt2이다.

+20점 · k<−2π2\displaystyle k<-\frac{\sqrt2\pi}2인 경우를 구하면

또한 직선 y=2x+k\displaystyle y=\sqrt2x+k가 점 (π2,0)\displaystyle (\frac\pi2,0)을 지나는 경우 k=−22π\displaystyle k=-\frac{\sqrt2}2\pi이므로, 답은k=(8−52π)2\displaystyle k=\left(8-\frac52\pi\right)\sqrt2 또는 k<−22π\displaystyle k<-\frac{\sqrt2}2\pi이다.

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