수리논술, 이게 다다.

자연계 1교시 수학2

오류 제보

문제

[ 수학 2 ]다음 <제시문1> ~ <제시문4>를 읽고 [수학2 - ⅰ] ~ [수학2 - ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

<제시문1>함수 f(x)\displaystyle f(x)가 어떤 구간의 임의의 두 실수 x<y\displaystyle x<y에 대하여 f(x)<f(y)\displaystyle f(x)<f(y)이면 f(x)\displaystyle f(x)는 그 구간에서 증가한다고 한다.

<제시문2>두 함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)가 미분가능할 때, ∫f(x)g′(x)dx=f(x)g(x)−∫f′(x)g(x)dx\displaystyle \int f(x)g^{\prime}(x)dx=f(x)g(x)-\int f^{\prime}(x)g(x)dx이다.

<제시문3>닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여, 평균값을 ∫01f(x)dx\displaystyle \int_0^1f(x)dx로 정의하고 증가폭을 f(1)−f(0)\displaystyle f(1)-f(0)으로 정의한다.

<제시문4>무리수 e=lim⁡n→∞(1+1n)n=2.71828⋯\displaystyle e=\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac1n\right)^n=2.71828\cdots 로 정의한다.

[수학2 - ⅰ] 함수 f(x)=(x+1)ln⁡(x+1)\displaystyle f(x)=(x+1)\ln(x+1)로 정의하자.(가) ∫01f(x)dx\displaystyle \int_0^1f(x)dx의 값을 구하고 그 이유를 논하시오.(나) 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값을 M\displaystyle M이라 할 때, M<f(1)−f(0)+∫01f(x)dx\displaystyle M<f(1)-f(0)+\int_0^1f(x)dx임을 보이고 그 이유를 논하시오.

[수학2 - ⅱ] 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 정의된 연속이고 증가하는 임의의 함수 g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 g(x)\displaystyle g(x)의 함수값이 평균값과 증가폭의 합보다 클 수 없음을 보이고 그 이유를 논하시오.

[수학2 - ⅲ] 함수 h(x)=−sin⁡(π3(4x+1))\displaystyle h(x)=-\sin\left(\frac\pi3(4x+1)\right)은 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 증가하는 함수가 아니다. 이 구간에서 h(x)\displaystyle h(x)의 함수값이 평균값과 증가폭의 합보다 클 수 없음을 보이고 그 이유를 논하시오.

해설강의 준비중
ⅰ · (가) 부분적분법을 이용하여 정적분의 값을 구할 수 있다.

[ 수학 2-i](가) ∫01f(x)dx=∫01ddx{(x+1)22}×ln⁡(x+1)dx\displaystyle \int_0^1f(x)dx=\int_0^1\frac d{dx}\left\{\frac{(x+1)^2}2\right\}\times\ln(x+1)dx이므로 <제시문 2>를 적용하면∫01f(x)dx=(x+1)22ln⁡(x+1)∣01−∫01(x+1)221x+1dx=2ln⁡2−34\displaystyle \int_0^1 f(x)dx=\left.\frac{(x+1)^2}2\ln(x+1)\right|_0^1-\int_0^1\frac{(x+1)^2}2\frac1{x+1}dx=2\ln2-\frac34을 얻는다.

ⅰ · (나) 미분을 이용하여 함수의 증감을 알아내고 이를 이용하여 최댓값을 구할 수 있다.

(나) 0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1에서 f′(x)=ln⁡(x+1)+1>0\displaystyle f^{\prime}(x)=\ln(x+1)+1>0 이므로 0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1에서 f\displaystyle f는 증가한다. 따라서 x=1\displaystyle x=1에서 최댓값을 가지고 그 값은 f(1)=2ln⁡2\displaystyle f(1)=2\ln2이다.

ⅰ · 지수와 로그함수의 성질을 이용하여 실수의 대소관계를 보일 수 있다.

한편, f(1)−f(0)=2ln⁡2\displaystyle f(1)-f(0)=2\ln2이므로, (가)의 결과에 의해 2ln⁡2<2ln⁡2+2ln⁡2−34\displaystyle 2\ln2<2\ln2+2\ln2-\frac34즉, 38≤ln⁡2\displaystyle \frac38\le\ln2를 보이면 된다. 로그함수의 정의에 의해 e38≤2\displaystyle e^{\frac38}\le2, 즉 e3≤28\displaystyle e^3\le2^8이 된다.그런데 <제시문 4>에 의해 e3<33=27<256=28\displaystyle e^3<3^3=27<256=2^8이므로 문제의 부등식이 성립함을 알 수 있다.

ⅱ · 증가하는 함수의 성질을 이용하여 함수 값이 취할 수 있는 범위의 한계를 평균값과 증가폭을 이용하여 나타낼 수 있다.

[수학 2-ⅱ]g\displaystyle g가 주어진 구간에서 증가하므로 <제시문 1>에 의해 g(0)≤g(x)\displaystyle g(0)\le g(x)가 성립한다. 양변을 적분하면g(0)=∫01g(0)dx≤∫01g(x)dx\displaystyle g(0)=\int_0^1g(0)dx\le\int_0^1g(x)dx따라서g(x)≤g(1)≤g(1)+{∫01g(x)dx−g(0)}≤g(1)−g(0)+∫01g(x)dx.\displaystyle \begin{aligned}g(x)&\le g(1)\\&\le g(1)+\left\{\int_0^1g(x)dx-g(0)\right\}\\&\le g(1)-g(0)+\int_0^1g(x)dx.\end{aligned}

ⅲ · 삼각함수의 성질을 이용하여 함수의 최댓값과 증가폭을 구할 수 있다.

[수학 2-ⅲ]h(x)\displaystyle h(x)의 최댓값은 h(78)=−sin⁡(3π2)=1\displaystyle h\left(\frac78\right)=-\sin\left(\frac{3\pi}2\right)=1이다. (삼각함수는 1\displaystyle 1보다 클 수 없으므로)한편 h\displaystyle h의 증가폭은 h(1)−h(0)=−sin⁡(5π3)+sin⁡(π3)=32+32=3\displaystyle h(1)-h(0)=-\sin\left(\frac{5\pi}3\right)+\sin\left(\frac\pi3\right)=\frac{\sqrt3}2+\frac{\sqrt3}2=\sqrt3 이고

ⅲ · 치환적분법을 이용하여 정적분의 값을 구할 수 있다.

T=π3(4x+1)\displaystyle T=\frac\pi3(4x+1)로 놓으면 dT=4π3dx\displaystyle dT=\frac{4\pi}3dx이므로 치환적분법에 의해 h(x)\displaystyle h(x)의 평균값은∫01−sin⁡(π3(4x+1))dx=−34π∫π35π3sin⁡T dT=34π(cos⁡5π3−cos⁡π3)=0\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1-\sin\left(\frac\pi3(4x+1)\right)dx&=-\frac3{4\pi}\int_{\frac\pi3}^{\frac{5\pi}3}\sin T\,dT\\&=\frac3{4\pi}\left(\cos\frac{5\pi}3-\cos\frac\pi3\right)\\&=0\end{aligned}가 된다. 따라서 h(x)≤1≤3=h(1)−h(0)+∫01h(x)dx\displaystyle h(x)\le1\le\sqrt3=h(1)-h(0)+\int_0^1h(x)dx 임을 알 수 있다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.