수리논술, 이게 다다.

수리형 1교시 2번

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문제

[문제 2] 다음 〈제시문 1〉과 〈제시문 2〉를 읽고 [문제2-ⅰ] ~ [문제2-ⅳ]를 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (40점)

〈제시문 1〉함수 g(x)\displaystyle g(x)가 미분가능하고 g′(b)=0\displaystyle g^{\prime}(b)=0일 때, x=b\displaystyle x=b의 좌우에서 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)의 부호가· 양에서 음으로 바뀌면, g(x)\displaystyle g(x)는 x=b\displaystyle x=b에서 극대이고, 극댓값 g(b)\displaystyle g(b)를 갖는다.· 음에서 양으로 바뀌면, g(x)\displaystyle g(x)는 x=b\displaystyle x=b에서 극소이고, 극솟값 g(b)\displaystyle g(b)를 갖는다.

〈제시문 2〉· 함수 f(t)\displaystyle f(t)를 다음과 같이 정의한다.f(t)={t2+2t(t>0)−t(t≤0)\displaystyle f(t)=\begin{cases}t^{2}+2t & (t>0) \\ -t & (t\le0)\end{cases}· 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 다음과 같이 정의한다.g(x)=2x33−2x2+12x+∫−10x(1−t)f(t)dt−∫−10x(4−t)f(t−3)dt\displaystyle g(x)=\frac{2x^{3}}{3}-2x^{2}+12x+\int_{-10}^{x}(1-t)f(t)dt-\int_{-10}^{x}(4-t)f(t-3)dt

[문제 2-ⅰ] 〈제시문 2〉에서 정의된 함수 f(t)\displaystyle f(t)에 대하여 ∫−2af(t)dt=32−3a3\displaystyle \int_{-2}^{a}f(t)dt=\frac{32-3a}{3}를 만족시키는 양의 실수 a\displaystyle a의 값을 구하고, 그 이유를 논하시오.

[문제 2-ⅱ] 〈제시문 2〉에서 정의된 함수 f(t)\displaystyle f(t)에 대하여 정적분 ∫−22f(t)∣t−1∣dt\displaystyle \int_{-2}^{2}f(t)|t-1|dt의 값을 구하고, 그 이유를 논하시오.

[문제 2-ⅲ] 〈제시문 2〉에서 정의된 함수 f(t)\displaystyle f(t)에 대하여 정적분 ∫−22f(t2−2)∣t−1∣dt\displaystyle \int_{-2}^{2}f(t^{2}-2)|t-1|dt의 값을 구하고, 그 이유를 논하시오.

[문제 2-ⅳ] 〈제시문 2〉에서 정의된 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 생각하자. 열린구간 (−10,10)\displaystyle (-10,10)에서 g(x)\displaystyle g(x)가 극값을 갖는 x\displaystyle x의 값을 모두 구하고, 그 이유를 논하시오.

해설강의 준비중

[문제 2-ⅰ]

+10점 · 다항함수의 정적분을 구할 수 있다.

a>0\displaystyle a>0인 경우 [−2,0]\displaystyle [-2,0]과 [0,a]\displaystyle [0,a] 구간으로 나누어 적분하면∫−20f(t)dt=∫−20(−t)dt=2\displaystyle \int_{-2}^{0}f(t)dt=\int_{-2}^{0}(-t)dt=2∫0af(t)dt=∫0a(t2+2t)dt=a33+a2.\displaystyle \int_{0}^{a}f(t)dt=\int_{0}^{a}(t^{2}+2t)dt=\frac{a^{3}}{3}+a^{2}.이다. 따라서 아래와 같은 적분식을 얻는다.∫−2af(t)dt=a33+a2+2..\displaystyle \int_{-2}^{a}f(t)dt=\frac{a^{3}}{3}+a^{2}+2..그러므로 주어진 식은 다음과 같다: a33+a2+2=32−3a3\displaystyle \frac{a^{3}}{3}+a^{2}+2=\frac{32-3a}{3}. 이 식을 정리하면 a3+3a2+3a=26\displaystyle a^{3}+3a^{2}+3a=26이 되고, 해를 구하면 a=2\displaystyle a=2가 된다.

[문제 2-ⅱ]

+10점 · 다항함수의 정적분을 구할 수 있다.

적분의 영역을 [−2,0]\displaystyle [-2,0], [0,1]\displaystyle [0,1], [1,2]\displaystyle [1,2]로 나누어 계산하자.∫−20(−t)(1−t)dt=∫−20(t2−t)dt=[t33−t22]−20=83+2\displaystyle \int_{-2}^{0}(-t)(1-t)dt=\int_{-2}^{0}(t^{2}-t)dt=\Biggl[\frac{t^{3}}{3}-\frac{t^{2}}{2}\Biggr]_{-2}^{0}=\frac{8}{3}+2∫01(t2+2t)(1−t)dt=∫01(−t3−t2+2t)dt=[−t44−t33+t2]01=512\displaystyle \int_{0}^{1}(t^{2}+2t)(1-t)dt=\int_{0}^{1}(-t^{3}-t^{2}+2t)dt=\Biggl[-\frac{t^{4}}{4}-\frac{t^{3}}{3}+t^{2}\Biggr]_{0}^{1}=\frac{5}{12}∫12(t2+2t)(t−1)dt=∫12(t3+t2−2t)dt=[t44+t33−t2]12=83+512\displaystyle \int_{1}^{2}(t^{2}+2t)(t-1)dt=\int_{1}^{2}(t^{3}+t^{2}-2t)dt=\Biggl[\frac{t^{4}}{4}+\frac{t^{3}}{3}-t^{2}\Biggr]_{1}^{2}=\frac{8}{3}+\frac{5}{12}따라서 전체 적분값은 163+176=496\displaystyle \frac{16}{3}+\frac{17}{6}=\frac{49}{6}이다.

[문제 2-ⅲ]

+10점 · 다항함수의 정적분을 구할 수 있다.

주어진 함수의 적분을 적분의 구간을 [−2,−2]\displaystyle [-2,-\sqrt{2}], [−2,1]\displaystyle [-\sqrt{2},1], [1,2]\displaystyle [1,\sqrt{2}], [2,2]\displaystyle [\sqrt{2},2]로 나누어 계산하자.I1=∫−2−2f(t2−2)∣t−1∣dt=∫−2−2((t2−2)2+2(t2−2))(1−t)dt=∫−2−2(t4−2t2)(1−t)dt=∫−2−2(−t5+t4+2t3−2t2)dt.\displaystyle \begin{aligned} I_{1} &=\int_{-2}^{-\sqrt{2}}f(t^{2}-2)|t-1|dt \\ &=\int_{-2}^{-\sqrt{2}}\left((t^{2}-2)^{2}+2(t^{2}-2)\right)(1-t)dt \\ &=\int_{-2}^{-\sqrt{2}}(t^{4}-2t^{2})(1-t)dt \\ &=\int_{-2}^{-\sqrt{2}}(-t^{5}+t^{4}+2t^{3}-2t^{2})dt. \end{aligned}I2=∫−21f(t2−2)∣t−1∣dt=∫−21(2−t2)(1−t)dt=∫−21(t3−t2−2t+2)dt\displaystyle \begin{aligned} I_{2} &=\int_{-\sqrt{2}}^{1}f(t^{2}-2)|t-1|dt \\ &=\int_{-\sqrt{2}}^{1}(2-t^{2})(1-t)dt=\int_{-\sqrt{2}}^{1}(t^{3}-t^{2}-2t+2)dt \end{aligned}I3=∫12f(t2−2)∣t−1∣dt=∫12(2−t2)(t−1)dt=∫12(−t3+t2+2t−2)dt\displaystyle \begin{aligned} I_{3} &=\int_{1}^{\sqrt{2}}f(t^{2}-2)|t-1|dt=\int_{1}^{\sqrt{2}}(2-t^{2})(t-1)dt \\ &=\int_{1}^{\sqrt{2}}(-t^{3}+t^{2}+2t-2)dt \end{aligned}I4=∫22f(t2−2)∣t−1∣dt=∫22(t4−2t2)(t−1)dt=∫22(t5−t4−2t3+2t2)dt\displaystyle \begin{aligned} I_{4} &=\int_{\sqrt{2}}^{2}f(t^{2}-2)|t-1|dt=\int_{\sqrt{2}}^{2}(t^{4}-2t^{2})(t-1)dt \\ &=\int_{\sqrt{2}}^{2}(t^{5}-t^{4}-2t^{3}+2t^{2})dt \end{aligned}

이를 토대로 계산하면 다음과 같다.I1=[−t66+t55+t42−2t33]−2−2=(−86−425+2+423)−(−646−325+8+163)\displaystyle \begin{aligned} I_{1} &=\Biggl[-\frac{t^{6}}{6}+\frac{t^{5}}{5}+\frac{t^{4}}{2}-\frac{2t^{3}}{3}\Biggr]_{-2}^{-\sqrt{2}} \\ &=\left(-\frac{8}{6}-\frac{4\sqrt{2}}{5}+2+\frac{4\sqrt{2}}{3}\right)-\left(-\frac{64}{6}-\frac{32}{5}+8+\frac{16}{3}\right) \end{aligned}I2=[t44−t33−t2+2t]−21=(14−13−1+2)−(1+223−2−22)\displaystyle I_{2}=\Biggl[\frac{t^{4}}{4}-\frac{t^{3}}{3}-t^{2}+2t\Biggr]_{-\sqrt{2}}^{1}=\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{3}-1+2\right)-\left(1+\frac{2\sqrt{2}}{3}-2-2\sqrt{2}\right)I3=[−t44+t33+t2−2t]12=(−1+223+2−22)−(−14+13+1−2)\displaystyle I_{3}=\Biggl[-\frac{t^{4}}{4}+\frac{t^{3}}{3}+t^{2}-2t\Biggr]_{1}^{\sqrt{2}}=\left(-1+\frac{2\sqrt{2}}{3}+2-2\sqrt{2}\right)-\left(-\frac{1}{4}+\frac{1}{3}+1-2\right)I4=[t66−t55−t42+2t33]22=(646−325−162+163)−(86−425−42+423)\displaystyle \begin{aligned} I_{4} &=\Biggl[\frac{t^{6}}{6}-\frac{t^{5}}{5}-\frac{t^{4}}{2}+\frac{2t^{3}}{3}\Biggr]_{\sqrt{2}}^{2} \\ &=\left(\frac{64}{6}-\frac{32}{5}-\frac{16}{2}+\frac{16}{3}\right)-\left(\frac{8}{6}-\frac{4\sqrt{2}}{5}-\frac{4}{2}+\frac{4\sqrt{2}}{3}\right) \end{aligned}

이를 이용해 아래와 같이 계산하자.I1+I4=−2(86−2)+2(646−8)=−83+4+643−16=563−12=203\displaystyle \begin{aligned} I_{1}+I_{4} &=-2\left(\frac{8}{6}-2\right)+2\left(\frac{64}{6}-8\right) \\ &=-\frac{8}{3}+4+\frac{64}{3}-16=\frac{56}{3}-12=\frac{20}{3} \end{aligned}I2+I3=2(−1+2)+2(14−13−1+2)=2+2(−112+1)=2−16+2=236\displaystyle \begin{aligned} I_{2}+I_{3} &=2(-1+2)+2\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{3}-1+2\right) \\ &=2+2\left(-\frac{1}{12}+1\right)=2-\frac{1}{6}+2=\frac{23}{6} \end{aligned}이들을 합하면 I1+I2+I3+I4=636=212\displaystyle I_{1}+I_{2}+I_{3}+I_{4}=\frac{63}{6}=\frac{21}{2}.

[문제 2-ⅳ]

+10점 · 함수의 증가와 감소, 극대와 극소를 판정하고 설명할 수 있다.

g(x)=2x33−2x2+12x+∫−10x(1−t)f(t)dt−∫−10x(4−t)f(t−3)dt\displaystyle g(x)=\frac{2x^{3}}{3}-2x^{2}+12x+\int_{-10}^{x}(1-t)f(t)dt-\int_{-10}^{x}(4-t)f(t-3)dt적분과 미분의 관계를 활용하여 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 미분하면g′(x)=2x2−4x+12+(1−x)f(x)−(4−x)f(x−3)\displaystyle g^{\prime}(x)=2x^{2}-4x+12+(1-x)f(x)-(4-x)f(x-3)임을 알 수 있다. 이제 x\displaystyle x의 구간을 x≤0\displaystyle x\le0, 0≤x<3\displaystyle 0\le x<3, x≥3\displaystyle x\ge3으로 나누어 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)의 개형을 조사하자.

(가) x≤0\displaystyle x\le0인 경우.g′(x)=2x2−4x+12+(1−x)(−x)−(4−x)(3−x)=2x(x+1)\displaystyle g^{\prime}(x)=2x^{2}-4x+12+(1-x)(-x)-(4-x)(3-x)=2x(x+1)이고, x=−1\displaystyle x=-1일 때와 x=0\displaystyle x=0일 때 0\displaystyle 0이 된다.

(나) 0<x≤3\displaystyle 0<x\le3인 경우.g′(x)=−x3+5x=−x(x2−5)\displaystyle g^{\prime}(x)=-x^{3}+5x=-x(x^{2}-5)이고, x=5\displaystyle x=\sqrt{5}일 때 0\displaystyle 0이 된다.

(다) x>3\displaystyle x>3인 경우.g′(x)=−7x2+17x=−x(7x−17)<0\displaystyle g^{\prime}(x)=-7x^{2}+17x=-x(7x-17)<0이므로 항상 음수이다.

이제 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)의 구간별 부호를 조사하면 아래와 같다.x값x<−1x=−1−1<x<0x=00<x<5x=5x>5g′(x)양수0음수0양수0음수\displaystyle \begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline x\text{값} & x<-1 & x=-1 & -1<x<0 & x=0 & 0<x<\sqrt{5} & x=\sqrt{5} & x>\sqrt{5} \\ \hline g^{\prime}(x) & \text{양수} & 0 & \text{음수} & 0 & \text{양수} & 0 & \text{음수} \\ \hline \end{array}따라서 x=−1, 0, 5\displaystyle x=-1,\ 0,\ \sqrt{5}에서 극값을 갖는 것을 알 수 있다.

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