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성균관대 2023학년도 수시 자연계 2교시 3번 · mathesis.kr/archive/skku/2023su/jayeongyo2_3
[문제 3-ⅰ]
+2점 · 다항식의 정적분을 계산할 수 있다.
다항식의 정적분이므로 다음과 같이 계산된다.∫01f(x)dx=∫01(ax3+bx2+cx+d)dx=[4ax4+3bx3+2cx2+dx]01=4a+3b+2c+d
[문제 3-ⅱ]
+20점 · 정적분과 넓이의 관계를 이해하고 도함수 및 정적분을 계산할 수 있다.
이 문제에서는 f(t)≥0을 가정하자. (f(t)<0인 경우도 비슷하게 할 수 있다.) 편의상 y=f(x)의 그래프와 x축 및 두 직선 x=t, x=t+h로 둘러싸인 도형의 넓이를 r이라 하자. 그러면 r=∫tt+hf(x)dx이다. 먼저 〈제시문 2〉에서 주어진 도형의 넓이 p(h)에 대한 식을 찾기 위해 t≥0인 경우와 t<0인 경우를 나누어 생각하자.Correction. 도형의 넓이 p(h)는 〈제시문 1〉에서 정의되어 있으므로, ‘〈제시문 2〉’는 ‘〈제시문 1〉’의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
(1) t≥0인 경우아래 그림과 같이 P,Q에서 x축에 내린 수선의 발을 각각 R,S라 하자. (선분 OQ와 선분 OP의 기울기에 따라 두 가지 경우가 있다.)
위의 그림에서 볼 수 있듯이 넓이 p(h)는 △OPR+r과 △OQS의 차이와 같으므로 p(h)=∣△OQS−△OPR−r∣이다. 또한 t≥0이므로 △OPR=21tf(t)와 △OQS=21(t+h)f(t+h)이 되어 p(h)=21(t+h)f(t+h)−21tf(t)−r을 얻는다.
(2) t<0인 경우경우 (1)과 마찬가지로 아래와 같은 그림을 생각하자.
위의 그림에서 볼 수 있듯이 p(h)는 △OQS+r과 △OPR의 차이와 같으므로 p(h)=∣△OPR−△OQS−r∣이다. 또한 t<0이므로 △OPR=−21tf(t)와 △OQS=−21(t+h)f(t+h)이 되어 경우 (1)과 똑같은 식인 p(h)=21(t+h)f(t+h)−21tf(t)−r을 얻는다.
위의 두 가지 경우로부터 항상p(h)=21(t+h)f(t+h)−21tf(t)−r=2t(f(t+h)−f(t))+2hf(t+h)−∫tt+hf(x)dx이 되고 따라서A(t)=h→0+limhp(h)=h→0+lim2t⋅hf(t+h)−f(t)+2f(t+h)−h1∫tt+hf(x)dx을 얻는다. 도함수의 정의에 의해 h→0+limhf(t+h)−f(t)=f′(t)이고 f(x)는 연속이므로 h→0+lim2f(t+h)=2f(t)이다. 또한 F(x)를 f(x)의 한 부정적분이라 하면h→0+limh1∫tt+hf(x)dx=h→0+limhF(t+h)−F(t)=F′(t)=f(t)가 된다. 따라서A(t)=2tf′(t)+21f(t)−f(t)=21∣tf′(t)−f(t)∣을 얻는다.
[문제 3-ⅲ]
+14점 · 미분불가능한 점을 판별하고 극대 극소를 통해 다항함수의 식을 찾을 수 있다.
편의상 g(t)=21(tf′(t)−f(t))라 하자. 그러면 f(x)=ax3+bx2+cx+d 이므로 g(t)=at3+2bt2−2d이다. 또한 A(t)=∣g(t)∣이므로 A(t)=0와 g(t)=0은 같은 근을 갖고 문제의 조건에 따라 g(t)=0도 두 개의 실근 α,β를 갖는다. g(t)는 최고차항의 계수가 양수인 삼차함수이고 근을 두 개 가지므로 y=g(x)의 그래프의 개형이 아래 두 그림 중 하나가 된다.
그런데 A(t)=∣g(t)∣가 β에서 미분가능하지 않으므로 y=g(x)의 그래프는 첫 번째 형태가 되고 y=A(x)의 그래프는 아래와 같이 그려진다.
따라서 g(t)=a(t−α)2(t−β)=a(t3−(2α+β)t2+(α2+2αβ)t−α2β)로 쓸 수 있다. 이 식의 일차항과 g(t)=at3+2bt2−2d의 일차항을 비교하면 a(α2+2αβ)=0을 얻는다. 또한 두 식의 상수항을 비교해 보면 aα2β=2d>0이므로 aα=0이고 따라서 a(α2+2αβ)=0의 양변을 aα로 나누어 α=−2β를 얻는다.
위의 y=A(x)의 그래프를 보면 A(t)는 유일한 극댓값을 가지고 이 극댓값은 α<t<β 범위에서 얻어지므로 g(t)은 이 범위에서 극솟값 −16을 갖는다. 이 극솟값은 t=3α+2β=0에서 얻어지므로 g(0)=−aα2β=−4aβ3=−16, 즉 aβ3=4를 얻는다.조건 ∫02βA(t)dt=38에서 ∫02βA(t)dt=∫02β∣g(t)∣dt=−∫0βg(t)dt+∫β2βg(t)dt이다. 그런데 g(t)=a(t+2β)2(t−β)=a(t2+4βt+β2)(t−β)=a(t3+3βt2−4β3)이므로Correction.(t+2β)2을 전개한 식의 β2은 4β2의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.−∫0βg(t)dt+∫β2βg(t)dt=−a[4t4+βt3−4β3t]0β+a[4t4+βt3−4β3t]β2β=219aβ4=38이 되어 aβ4=4을 얻는다. 이 식과 위에서 찾은 식 aβ3=4을 이용하면 β=1과 a=4, 그리고 α=−2β=−2가 된다.
[문제 3-ⅳ]
+4점 · 다항식의 정적분을 계산할 수 있다.
g(t)=at3+2bt2−2d에서 위의 결과 g(t)=4t3+12t2−16을 이용하면 a=4, b=24, d=32이 된다.주어진 조건과 [문제 3-ⅰ]로부터 ∫01f(x)dx=4a+3b+2c+d=1+8+2c+32=23이므로 c=−36을 얻는다.