[가]함수 f(x)가 x=a를 포함하는 어떤 열린 구간에 속하는 모든 x에 대하여 f(x)≤f(a)이면 f(x)는 x=a에서 극댓값을 가진다고 한다. 또한, x=a를 포함하는 어떤 열린 구간에 속하는 모든 x에 대하여 f(x)≥f(a)이면 f(x)는 x=a에서 극솟값을 가진다고 한다. 극댓값과 극솟값을 통틀어 극값이라고 한다.
[나](최대·최소 정리)함수 f(x)가 닫힌 구간 [a,b]에서 연속이면 f(x)는 [a,b]에서 최댓값과 최솟값을 가진다.
[다](적분과 미분의 관계)함수 f(t)가 닫힌 구간 [a,b]에서 연속일 때,dxd∫axf(t)dt=f(x)(단, a<x<b)가 성립한다.
실수 전체의 집합에서 정의된 함수f(x)={∣x∣(ex−1)cosx10(x=0)(x=0)에 대하여 제시문 [가]–[다]를 참고하여 다음 물음에 답하여라.
[1–1] 함수 f(x)의 x=0에서의 미분가능성을 조사하여라.
[1–2] x≤−2π1일 때, 부등식 f(x)<0을 풀어라.
[1–3] 함수 f(x)가 모든 자연수 n에 대하여 열린 구간 ((2n+1)π2,π2)에 속하는 적어도 n개의 점에서 극값을 가짐을 보여라.
[1–4] 두 함수 g(x)=(x−1)ex−1과 F(x)=∫1xf(t)dt의 그래프는 점 (1,0)에서 만난다. 이 점에서 y=g(x)의 그래프에 접하는 접선과 y=F(x)의 그래프에 접하는 접선이 이루는 각의 크기를 θ(0≤θ≤2π)라 하자. f(1)=α라고 할 때, cos2θ를 α에 대한 식으로 나타내어라.
해설강의 준비중
서강대 2017학년도 수시 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/sogang/2017su/jayeon_1
1-1 · 함수의 미분가능성 및 지수함수와 삼각함수의 극한을 이해하는지 평가한다.
[1–1] x=0에 대하여 x−0f(x)−f(0)=x∣x∣(ex−1)cosx1=xex−1⋅∣x∣cosx1이다.x→0limxex−1=1이고 x→0lim∣x∣cosx1=0이므로 x→0limxf(x)−f(0)=0이 존재한다.따라서 f(x)는 x=0에서 미분가능하다.이때 −∣x∣≤∣x∣cosx1≤∣x∣이고 x→0lim∣x∣=0이므로 x→0lim∣x∣cosx1=0임을 사용하였다.
1-2 · 지수함수의 성질을 이해하고 삼각함수를 포함하는 부등식을 주어진 구간 안에서 풀 수 있는지 평가한다.
[1–2] x≤−2π1에 대하여 ∣x∣>0, ex−1<0이므로 ∣x∣(ex−1)cosx1<0이기 위해서는 cosx1>0이어야 한다.x1=t라 놓으면 −2π≤t<0이며 cost>0이어야 한다.따라서, −2π≤t<−23π 또는 −2π<t<0, 즉, −3π2<x≤−2π1 또는 x<−π2이다.
1-3 · 함수의 극값 및 최대·최소 정리를 이해하는지 평가한다.
[1–3] (i) n=1인 경우함수 f(x)가 닫힌 구간 [3π2,π2]에서 연속이므로 최대·최소 정리에 의하여 [3π2,π2]에서 최댓값과 최솟값을 가진다. 그런데, 구간의 양 끝점에서 함숫값이 f(3π2)=0=f(π2)로 같으므로 열린 구간 (3π2,π2)에 속하는 x=c에서 최댓값 또는 최솟값을 갖는다. 따라서 f(x)는 x=c에서 극값을 가진다.그러므로 함수 f(x)는 열린 구간 (3π2,π2)의 적어도 한 점에서 극값을 가진다.(ii) n=2인 경우(i)에 의하여 함수 f(x)는 열린 구간 (3π2,π2)의 적어도 한 점에서 극값을 가진다.또한 함수 f(x)가 닫힌 구간 [5π2,3π2]에서 연속이므로 최대·최소 정리에 의하여 [5π2,3π2]에서 최댓값과 최솟값을 가진다. 그런데, 구간의 양 끝점에서 함숫값이 f(5π2)=0=f(3π2)로 같으므로 열린 구간 (5π2,3π2)에 속하는 x=c에서 최댓값 또는 최솟값을 갖는다. 따라서 f(x)는 x=c에서 극값을 가지므로 f(x)는 열린 구간 (5π2,3π2)의 적어도 한 점에서 극값을 가진다.그러므로 함수 f(x)는 구간 (5π2,π2)의 적어도 두 점에서 극값을 가진다.(iii) n=3인 경우(ii)에 의하여 함수 f(x)는 열린 구간 (5π2,π2)의 적어도 두 점에서 극값을 가진다.또한 함수 f(x)가 닫힌 구간 [7π2,5π2]에서 연속이므로 최대최소 정리에 의하여 [7π2,5π2]에서 최댓값과 최솟값을 가진다. 그런데, 구간의 양 끝점에서 함숫값이 f(7π2)=0=f(5π2)로 같으므로 열린 구간 (7π2,5π2)에 속하는 x=c에서 최댓값 또는 최솟값을 갖는다.따라서 f(x)는 x=c에서 극값을 가지므로 f(x)는 구간 (7π2,5π2)의 적어도 한 점에서 극값을 가진다. 그러므로 함수 f(x)는 구간 (7π2,π2)의 적어도 세 점에서 극값을 가진다.위의 과정을 반복하면, 함수 f(x)는 모든 자연수 n에 대하여 열린 구간 ((2n+1)π2,π2)의 적어도 n개의 점에서 극값을 가진다.
[1–4] y=g(x)와 y=F(x)의 그래프 위에 있는 점 (1,0)에서의 접선과 x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 각각 θ1,θ2라고 하자. g′(x)=xex−1이므로 tanθ1=g′(1)=1이고 적분과 미분의 관계에 의하여 tanθ2=F′(1)=f(1)=α이다.따라서 ∣tanθ∣=∣tan(θ1−θ2)∣=1+tanθ1tanθ2tanθ1−tanθ2=1+α1−α이다.그러므로 cos2θ=cos(θ+θ)=cos2θ−sin2θ=2cos2θ−1=sec2θ2−1=1+tan2θ2−1=1+tan2θ1−tan2θ=1+(1+α1−α)21−(1+α1−α)2=(1+α)2+(1−α)2(1+α)2−(1−α)2=1+α22α이다.