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자연계 2교시 3번

문제

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[문제 3-ⅰ]

+2점 · 다항식의 정적분을 계산할 수 있다.

다항식의 정적분이므로 다음과 같이 계산된다.01f(x)dx=01(ax3+bx2+cx+d)dx=[ax44+bx33+cx22+dx]01=a4+b3+c2+d\displaystyle \int_{0}^{1}f(x)dx=\int_{0}^{1}(ax^{3}+bx^{2}+cx+d)dx=\Biggl[\frac{ax^{4}}{4}+\frac{bx^{3}}{3}+\frac{cx^{2}}{2}+dx\Biggr]_{0}^{1}=\frac{a}{4}+\frac{b}{3}+\frac{c}{2}+d

[문제 3-ⅱ]

+20점 · 정적분과 넓이의 관계를 이해하고 도함수 및 정적분을 계산할 수 있다.

이 문제에서는 f(t)0\displaystyle f(t)\ge0을 가정하자. (f(t)<0\displaystyle f(t)<0인 경우도 비슷하게 할 수 있다.) 편의상 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=t\displaystyle x=t, x=t+h\displaystyle x=t+h로 둘러싸인 도형의 넓이를 r\displaystyle r이라 하자. 그러면 r=tt+hf(x)dx\displaystyle r=\int_{t}^{t+h}f(x)dx이다. 먼저 〈제시문 2〉에서 주어진 도형의 넓이 p(h)\displaystyle p(h)에 대한 식을 찾기 위해 t0\displaystyle t\ge0인 경우와 t<0\displaystyle t<0인 경우를 나누어 생각하자.Correction. 도형의 넓이 p(h)\displaystyle p(h)는 〈제시문 1〉에서 정의되어 있으므로, ‘〈제시문 2〉’는 ‘〈제시문 1〉’의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(1) t0\displaystyle t\ge0인 경우아래 그림과 같이 P,Q\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q}에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 각각 R,S\displaystyle \mathrm{R},\mathrm{S}라 하자. (선분 OQ\displaystyle \mathrm{OQ}와 선분 OP\displaystyle \mathrm{OP}의 기울기에 따라 두 가지 경우가 있다.)

t ≥ 0인 경우 — 곡선 y=f(x) 위의 두 점 P, Q와 원점 O, 그리고 x축에 내린 수선의 발 R, S를 그린 두 개의 그림.

위의 그림에서 볼 수 있듯이 넓이 p(h)\displaystyle p(h)OPR+r\displaystyle \triangle\mathrm{OPR}+rOQS\displaystyle \triangle\mathrm{OQS}의 차이와 같으므로 p(h)=OQSOPRr\displaystyle p(h)=|\triangle\mathrm{OQS}-\triangle\mathrm{OPR}-r|이다. 또한 t0\displaystyle t\ge0이므로 OPR=12tf(t)\displaystyle \triangle\mathrm{OPR}=\frac{1}{2}tf(t)OQS=12(t+h)f(t+h)\displaystyle \triangle\mathrm{OQS}=\frac{1}{2}(t+h)f(t+h)이 되어 p(h)=12(t+h)f(t+h)12tf(t)r\displaystyle p(h)=\left|\frac{1}{2}(t+h)f(t+h)-\frac{1}{2}tf(t)-r\right|을 얻는다.

(2) t<0\displaystyle t<0인 경우경우 (1)과 마찬가지로 아래와 같은 그림을 생각하자.

t < 0인 경우 — 곡선 y=f(x) 위의 두 점 P, Q와 원점 O, 그리고 x축에 내린 수선의 발 R, S를 그린 두 개의 그림.

위의 그림에서 볼 수 있듯이 p(h)\displaystyle p(h)OQS+r\displaystyle \triangle\mathrm{OQS}+rOPR\displaystyle \triangle\mathrm{OPR}의 차이와 같으므로 p(h)=OPROQSr\displaystyle p(h)=|\triangle\mathrm{OPR}-\triangle\mathrm{OQS}-r|이다. 또한 t<0\displaystyle t<0이므로 OPR=12tf(t)\displaystyle \triangle\mathrm{OPR}=-\frac{1}{2}tf(t)OQS=12(t+h)f(t+h)\displaystyle \triangle\mathrm{OQS}=-\frac{1}{2}(t+h)f(t+h)이 되어 경우 (1)과 똑같은 식인 p(h)=12(t+h)f(t+h)12tf(t)r\displaystyle p(h)=\left|\frac{1}{2}(t+h)f(t+h)-\frac{1}{2}tf(t)-r\right|을 얻는다.

위의 두 가지 경우로부터 항상p(h)=12(t+h)f(t+h)12tf(t)r=t2(f(t+h)f(t))+h2f(t+h)tt+hf(x)dx\displaystyle p(h)=\left|\frac{1}{2}(t+h)f(t+h)-\frac{1}{2}tf(t)-r\right|=\left|\frac{t}{2}(f(t+h)-f(t))+\frac{h}{2}f(t+h)-\int_{t}^{t+h}f(x)dx\right|이 되고 따라서A(t)=limh0+p(h)h=limh0+t2f(t+h)f(t)h+f(t+h)21htt+hf(x)dx\displaystyle A(t)=\lim_{h\to0+}\frac{p(h)}{h}=\lim_{h\to0+}\left|\frac{t}{2}\cdot\frac{f(t+h)-f(t)}{h}+\frac{f(t+h)}{2}-\frac{1}{h}\int_{t}^{t+h}f(x)dx\right|을 얻는다. 도함수의 정의에 의해 limh0+f(t+h)f(t)h=f(t)\displaystyle \lim_{h\to0+}\frac{f(t+h)-f(t)}{h}=f^{\prime}(t)이고 f(x)\displaystyle f(x)는 연속이므로 limh0+f(t+h)2=f(t)2\displaystyle \lim_{h\to0+}\frac{f(t+h)}{2}=\frac{f(t)}{2}이다. 또한 F(x)\displaystyle F(x)f(x)\displaystyle f(x)의 한 부정적분이라 하면limh0+1htt+hf(x)dx=limh0+F(t+h)F(t)h=F(t)=f(t)\displaystyle \lim_{h\to0+}\frac{1}{h}\int_{t}^{t+h}f(x)dx=\lim_{h\to0+}\frac{F(t+h)-F(t)}{h}=F^{\prime}(t)=f(t)가 된다. 따라서A(t)=t2f(t)+12f(t)f(t)=12tf(t)f(t)\displaystyle A(t)=\left|\frac{t}{2}f^{\prime}(t)+\frac{1}{2}f(t)-f(t)\right|=\frac{1}{2}\left|tf^{\prime}(t)-f(t)\right|을 얻는다.

[문제 3-ⅲ]

+14점 · 미분불가능한 점을 판별하고 극대 극소를 통해 다항함수의 식을 찾을 수 있다.

편의상 g(t)=12(tf(t)f(t))\displaystyle g(t)=\frac{1}{2}(tf^{\prime}(t)-f(t))라 하자. 그러면 f(x)=ax3+bx2+cx+d\displaystyle f(x)=ax^{3}+bx^{2}+cx+d 이므로 g(t)=at3+b2t2d2\displaystyle g(t)=at^{3}+\frac{b}{2}t^{2}-\frac{d}{2}이다. 또한 A(t)=g(t)\displaystyle A(t)=|g(t)|이므로 A(t)=0\displaystyle A(t)=0g(t)=0\displaystyle g(t)=0은 같은 근을 갖고 문제의 조건에 따라 g(t)=0\displaystyle g(t)=0도 두 개의 실근 α,β\displaystyle \alpha,\beta를 갖는다. g(t)\displaystyle g(t)는 최고차항의 계수가 양수인 삼차함수이고 근을 두 개 가지므로 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프의 개형이 아래 두 그림 중 하나가 된다.

삼차함수 y=g(x)의 그래프 개형 두 가지. 왼쪽은 x축과 α에서 접하고 β에서 가로지르는 모양, 오른쪽은 α에서 가로지르고 β에서 접하는 모양이다.

그런데 A(t)=g(t)\displaystyle A(t)=|g(t)|β\displaystyle \beta에서 미분가능하지 않으므로 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프는 첫 번째 형태가 되고 y=A(x)\displaystyle y=A(x)의 그래프는 아래와 같이 그려진다.

y=A(x)의 그래프. x축의 α에서 접하듯 닿고 β에서 뾰족하게 꺾이며, 두 점 사이에서 극댓값을 갖는다.

따라서 g(t)=a(tα)2(tβ)=a(t3(2α+β)t2+(α2+2αβ)tα2β)\displaystyle g(t)=a(t-\alpha)^{2}(t-\beta)=a(t^{3}-(2\alpha+\beta)t^{2}+(\alpha^{2}+2\alpha\beta)t-\alpha^{2}\beta)로 쓸 수 있다. 이 식의 일차항과 g(t)=at3+b2t2d2\displaystyle g(t)=at^{3}+\frac{b}{2}t^{2}-\frac{d}{2}의 일차항을 비교하면 a(α2+2αβ)=0\displaystyle a(\alpha^{2}+2\alpha\beta)=0을 얻는다. 또한 두 식의 상수항을 비교해 보면 aα2β=d2>0\displaystyle a\alpha^{2}\beta=\frac{d}{2}>0이므로 aα0\displaystyle a\alpha\ne0이고 따라서 a(α2+2αβ)=0\displaystyle a(\alpha^{2}+2\alpha\beta)=0의 양변을 aα\displaystyle a\alpha로 나누어 α=2β\displaystyle \alpha=-2\beta를 얻는다.

위의 y=A(x)\displaystyle y=A(x)의 그래프를 보면 A(t)\displaystyle A(t)는 유일한 극댓값을 가지고 이 극댓값은 α<t<β\displaystyle \alpha<t<\beta 범위에서 얻어지므로 g(t)\displaystyle g(t)은 이 범위에서 극솟값 16\displaystyle -16을 갖는다. 이 극솟값은 t=α+2β3=0\displaystyle t=\frac{\alpha+2\beta}{3}=0에서 얻어지므로 g(0)=aα2β=4aβ3=16\displaystyle g(0)=-a\alpha^{2}\beta=-4a\beta^{3}=-16, 즉 aβ3=4\displaystyle a\beta^{3}=4를 얻는다.조건 02βA(t)dt=38\displaystyle \int_{0}^{2\beta}A(t)dt=38에서 02βA(t)dt=02βg(t)dt=0βg(t)dt+β2βg(t)dt\displaystyle \int_{0}^{2\beta}A(t)dt=\int_{0}^{2\beta}|g(t)|dt=-\int_{0}^{\beta}g(t)dt+\int_{\beta}^{2\beta}g(t)dt이다. 그런데 g(t)=a(t+2β)2(tβ)=a(t2+4βt+β2)(tβ)=a(t3+3βt24β3)\displaystyle g(t)=a(t+2\beta)^{2}(t-\beta)=a(t^{2}+4\beta t+\beta^{2})(t-\beta)=a(t^{3}+3\beta t^{2}-4\beta^{3})이므로Correction. (t+2β)2\displaystyle (t+2\beta)^2을 전개한 식의 β2\displaystyle \beta^24β2\displaystyle 4\beta^2의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.0βg(t)dt+β2βg(t)dt=a[t44+βt34β3t]0β+a[t44+βt34β3t]β2β=19aβ42=38\displaystyle -\int_{0}^{\beta}g(t)dt+\int_{\beta}^{2\beta}g(t)dt=-a\Biggl[\frac{t^{4}}{4}+\beta t^{3}-4\beta^{3}t\Biggr]_{0}^{\beta}+a\Biggl[\frac{t^{4}}{4}+\beta t^{3}-4\beta^{3}t\Biggr]_{\beta}^{2\beta}=\frac{19a\beta^{4}}{2}=38이 되어 aβ4=4\displaystyle a\beta^{4}=4을 얻는다. 이 식과 위에서 찾은 식 aβ3=4\displaystyle a\beta^{3}=4을 이용하면 β=1\displaystyle \beta=1a=4\displaystyle a=4, 그리고 α=2β=2\displaystyle \alpha=-2\beta=-2가 된다.

[문제 3-ⅳ]

+4점 · 다항식의 정적분을 계산할 수 있다.

g(t)=at3+b2t2d2\displaystyle g(t)=at^{3}+\frac{b}{2}t^{2}-\frac{d}{2}에서 위의 결과 g(t)=4t3+12t216\displaystyle g(t)=4t^{3}+12t^{2}-16을 이용하면 a=4\displaystyle a=4, b=24\displaystyle b=24, d=32\displaystyle d=32이 된다.주어진 조건과 [문제 3-ⅰ]로부터 01f(x)dx=a4+b3+c2+d=1+8+c2+32=23\displaystyle \int_{0}^{1}f(x)dx=\frac{a}{4}+\frac{b}{3}+\frac{c}{2}+d=1+8+\frac{c}{2}+32=23이므로 c=36\displaystyle c=-36을 얻는다.

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