수리논술, 이게 다다.

수리형 2교시 1번

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문제

[문제 1] 다음 〈제시문 1〉과 〈제시문 2〉를 읽고 [문제 1-ⅰ] ~ [문제 1-ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (30점)

〈제시문 1〉함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=a\displaystyle x=a, x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는 S=∫ab∣f(x)∣dx\displaystyle S=\int_{a}^{b}|f(x)|dx이다.

〈제시문 2〉−3≤t≤0\displaystyle -3\le t\le0인 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 곡선 y=3x2−3\displaystyle y=3x^{2}-3과 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=t\displaystyle x=t, x=t+1\displaystyle x=t+1로 둘러싸인 도형의 넓이를 g(t)\displaystyle g(t)라 한다.

[문제 1-ⅰ] 〈제시문 2〉에서 정의된 함수 g(t)\displaystyle g(t)에 대하여, g(−32)\displaystyle g\left(-\frac{3}{2}\right)의 값을 구하고 그 이유를 논하시오.

[문제 1-ⅱ] 〈제시문 2〉에서 정의된 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 식을 구하고, 그 이유를 논하시오.

[문제 1-ⅲ] 〈제시문 2〉에서 정의된 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값을 구하고, 그 이유를 논하시오.

해설강의 준비중

[문제 1-ⅰ]

+6점 · 닫힌 구간 위에서 양수와 음수 값을 동시에 가지는 함수의 넓이를 구할 수 있다.

g(−32)=∫−32−1(3x2−3)dx+∫−1−12(3−3x2)dx=[x3−3x]−32−1+[3x−x3]−1−12=32\displaystyle \begin{aligned} g\left(-\frac{3}{2}\right) &=\int_{-\frac{3}{2}}^{-1}(3x^{2}-3)dx+\int_{-1}^{-\frac{1}{2}}(3-3x^{2})dx \\ &=\Biggl[x^{3}-3x\Biggr]_{-\frac{3}{2}}^{-1}+\Biggl[3x-x^{3}\Biggr]_{-1}^{-\frac{1}{2}} \\ &=\frac{3}{2} \end{aligned}

[문제 1-ⅱ]

+12점 · 변수로 주어진 닫힌 구간 위에서 양수와 음수 값을 동시에 가지는 함수의 넓이를 함수로 나타낼 수 있다.

다음과 같이 세 가지 경우를 생각한다.

(1) −3≤t<−2\displaystyle -3\le t<-2 경우이때 t≤t+1<−1\displaystyle t\le t+1<-1이므로 t≤x≤t+1\displaystyle t\le x\le t+1일 때 ∣3x2−3∣=3x2−3\displaystyle |3x^{2}-3|=3x^{2}-3이다.따라서g(t)=∫tt+1(3x2−3)dx=[x3−3x]tt+1=3t2+3t−2\displaystyle g(t)=\int_{t}^{t+1}(3x^{2}-3)dx=\Biggl[x^{3}-3x\Biggr]_{t}^{t+1}=3t^{2}+3t-2

(2) −2≤t<−1\displaystyle -2\le t<-1 경우이때 t<−1≤t+1\displaystyle t<-1\le t+1이므로t≤x<−1\displaystyle t\le x<-1에서 ∣3x2−3∣=3x2−3\displaystyle |3x^{2}-3|=3x^{2}-3이고, −1≤x<t+1\displaystyle -1\le x<t+1에서 ∣3x2−3∣=3−3x2\displaystyle |3x^{2}-3|=3-3x^{2}이다.따라서g(t)=∫t−1(3x2−3)dx+∫−1t+1(3−3x2)dx=[x3−3x]t−1+[3x−x3]−1t+1=(−t3+3t+2)+(−t3−3t2+4)=−2t3−3t2+3t+6\displaystyle \begin{aligned} g(t) &=\int_{t}^{-1}(3x^{2}-3)dx+\int_{-1}^{t+1}(3-3x^{2})dx \\ &=\Biggl[x^{3}-3x\Biggr]_{t}^{-1}+\Biggl[3x-x^{3}\Biggr]_{-1}^{t+1} \\ &=(-t^{3}+3t+2)+(-t^{3}-3t^{2}+4) \\ &=-2t^{3}-3t^{2}+3t+6 \end{aligned}

(3) −1≤t≤0\displaystyle -1\le t\le0 경우−1≤t<t+1≤1\displaystyle -1\le t<t+1\le1이므로 t≤x≤t+1\displaystyle t\le x\le t+1일 때 ∣3x2−3∣=3−3x2\displaystyle |3x^{2}-3|=3-3x^{2}이다.따라서g(t)=∫tt+1(3−3x2)dx=[3x−x3]tt+1=−3t2−3t+2\displaystyle g(t)=\int_{t}^{t+1}(3-3x^{2})dx=\Biggl[3x-x^{3}\Biggr]_{t}^{t+1}=-3t^{2}-3t+2

위의 세 가지 경우를 종합하면g(t)={3t2+3t−2(−3≤t<−2)−2t3−3t2+3t+6(−2≤t<−1)−3t2−3t+2(−1≤t≤0)\displaystyle g(t)=\begin{cases}3t^{2}+3t-2 & (-3\le t<-2) \\ -2t^{3}-3t^{2}+3t+6 & (-2\le t<-1) \\ -3t^{2}-3t+2 & (-1\le t\le0)\end{cases}

[문제 1-ⅲ]

+12점 · 문제는 이렇게 구해진 함수의 극값과 그래프의 개형을 조사해서 최솟값을 구할 수 있다.

(1) −3≤t<−2\displaystyle -3\le t<-2 경우g′(t)=6t+3<0\displaystyle g^{\prime}(t)=6t+3<0(2) −2≤t<−1\displaystyle -2\le t<-1 경우g′(t)=−6t2−6t+3=−6(t+1+32)(t+1−32)\displaystyle g^{\prime}(t)=-6t^{2}-6t+3=-6\left(t+\frac{1+\sqrt{3}}{2}\right)\left(t+\frac{1-\sqrt{3}}{2}\right)따라서 −2≤t<−1+32\displaystyle -2\le t<-\frac{1+\sqrt{3}}{2}에서 g′(t)<0\displaystyle g^{\prime}(t)<0, −1+32<t<−1\displaystyle -\frac{1+\sqrt{3}}{2}<t<-1에서 g′(t)>0\displaystyle g^{\prime}(t)>0(3) −1≤t≤0\displaystyle -1\le t\le0 경우g′(t)=−6t−3\displaystyle g^{\prime}(t)=-6t-3따라서 −1<t<−12\displaystyle -1<t<-\frac{1}{2}에서 g′(t)>0\displaystyle g^{\prime}(t)>0, −12<t<−1\displaystyle -\frac{1}{2}<t<-1에서 g′(t)<0\displaystyle g^{\prime}(t)<0Correction. g′(t)<0\displaystyle g^{\prime}(t)<0인 구간은 −1/2<t<−1\displaystyle -1/2<t<-1이 아니라 −1/2<t<0\displaystyle -1/2<t<0이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

이를 종합하여 닫힌구간 [−3,0]\displaystyle [-3,0]에서 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 증감과 감소를 나타내는 표를 만들면x−3−2−1+32−1−120g′(t)−−++−g(t)16↘4↘4−323↗2↗114↘2\displaystyle \begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline x & -3 & & -2 & & -\frac{1+\sqrt{3}}{2} & & -1 & & -\frac{1}{2} & & 0 \\ \hline g^{\prime}(t) & & - & & - & & + & & + & & - & \\ \hline g(t) & 16 & \searrow & 4 & \searrow & 4-\frac{3}{2}\sqrt{3} & \nearrow & 2 & \nearrow & \frac{11}{4} & \searrow & 2 \\ \hline \end{array}따라서 함수 g\displaystyle g는 t=−1+32\displaystyle t=-\frac{1+\sqrt{3}}{2}에서 최솟값을 가지고 그 최솟값은 g(−1+32)=4−323\displaystyle g\left(-\frac{1+\sqrt{3}}{2}\right)=4-\frac{3}{2}\sqrt{3}이다.

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