수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[가] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a를 포함하는 어떤 열린 구간에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여 f(x)≤f(a)\displaystyle f(x)\le f(a)이면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극댓값을 가진다고 한다. 또한, x=a\displaystyle x=a를 포함하는 어떤 열린 구간에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여 f(x)≥f(a)\displaystyle f(x)\ge f(a)이면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극솟값을 가진다고 한다. 극댓값과 극솟값을 통틀어 극값이라고 한다.

[나] (최대·최소 정리)함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이면 f(x)\displaystyle f(x)는 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 최댓값과 최솟값을 가진다.

[다] (적분과 미분의 관계)함수 f(t)\displaystyle f(t)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때,ddx∫axf(t) dt=f(x)(단, a<x<b)\displaystyle \frac d{dx}\int_a^x f(t)\,dt=f(x)\quad\text{(단, }a<x<b\text{)}가 성립한다.

실수 전체의 집합에서 정의된 함수f(x)={∣x∣(ex−1)cos⁡1x(x≠0)0(x=0)\displaystyle f(x)=\begin{cases}\sqrt{|x|}(e^x-1)\cos\frac1x&(x\ne0)\\0&(x=0)\end{cases}에 대하여 제시문 [가]–[다]를 참고하여 다음 물음에 답하여라.

[1–1] 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 x=0\displaystyle x=0에서의 미분가능성을 조사하여라.

[1–2] x≤−12π\displaystyle x\le-\frac1{2\pi}일 때, 부등식 f(x)<0\displaystyle f(x)<0을 풀어라.

[1–3] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 열린 구간 (2(2n+1)π,2π)\displaystyle \left(\frac2{(2n+1)\pi},\frac2\pi\right)에 속하는 적어도 n\displaystyle n개의 점에서 극값을 가짐을 보여라.

[1–4] 두 함수 g(x)=(x−1)ex−1\displaystyle g(x)=(x-1)e^{x-1}과 F(x)=∫1xf(t) dt\displaystyle F(x)=\int_1^x f(t)\,dt의 그래프는 점 (1,0)\displaystyle (1,0)에서 만난다. 이 점에서 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프에 접하는 접선과 y=F(x)\displaystyle y=F(x)의 그래프에 접하는 접선이 이루는 각의 크기를 θ(0≤θ≤π2)\displaystyle \theta\left(0\le\theta\le\frac\pi2\right)라 하자. f(1)=α\displaystyle f(1)=\alpha라고 할 때, cos⁡2θ\displaystyle \cos2\theta를 α\displaystyle \alpha에 대한 식으로 나타내어라.

해설강의 준비중
1-1 · 함수의 미분가능성 및 지수함수와 삼각함수의 극한을 이해하는지 평가한다.

[1–1] x≠0\displaystyle x\ne0에 대하여 f(x)−f(0)x−0=∣x∣(ex−1)cos⁡1xx=ex−1x⋅∣x∣cos⁡1x\displaystyle \frac{f(x)-f(0)}{x-0}=\frac{\sqrt{|x|}(e^x-1)\cos\frac1x}x=\frac{e^x-1}x\cdot\sqrt{|x|}\cos\frac1x이다.lim⁡x→0ex−1x=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{e^x-1}x=1이고 lim⁡x→0∣x∣cos⁡1x=0\displaystyle \lim_{x\to0}\sqrt{|x|}\cos\frac1x=0이므로 lim⁡x→0f(x)−f(0)x=0\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{f(x)-f(0)}x=0이 존재한다.따라서 f(x)\displaystyle f(x)는 x=0\displaystyle x=0에서 미분가능하다.이때 −∣x∣≤∣x∣cos⁡1x≤∣x∣\displaystyle -\sqrt{|x|}\le\sqrt{|x|}\cos\frac1x\le\sqrt{|x|}이고 lim⁡x→0∣x∣=0\displaystyle \lim_{x\to0}\sqrt{|x|}=0이므로 lim⁡x→0∣x∣cos⁡1x=0\displaystyle \lim_{x\to0}\sqrt{|x|}\cos\frac1x=0임을 사용하였다.

1-2 · 지수함수의 성질을 이해하고 삼각함수를 포함하는 부등식을 주어진 구간 안에서 풀 수 있는지 평가한다.

[1–2] x≤−12π\displaystyle x\le-\frac1{2\pi}에 대하여 ∣x∣>0\displaystyle \sqrt{|x|}>0, ex−1<0\displaystyle e^x-1<0이므로 ∣x∣(ex−1)cos⁡1x<0\displaystyle \sqrt{|x|}(e^x-1)\cos\frac1x<0이기 위해서는 cos⁡1x>0\displaystyle \cos\frac1x>0이어야 한다.1x=t\displaystyle \frac1x=t라 놓으면 −2π≤t<0\displaystyle -2\pi\le t<0이며 cos⁡t>0\displaystyle \cos t>0이어야 한다.따라서, −2π≤t<−3π2\displaystyle -2\pi\le t<-\frac{3\pi}2 또는 −π2<t<0\displaystyle -\frac\pi2<t<0, 즉, −23π<x≤−12π\displaystyle -\frac2{3\pi}<x\le-\frac1{2\pi} 또는 x<−2π\displaystyle x<-\frac2\pi이다.

마이너스 2파이부터 파이까지 코사인 함수 그래프
1-3 · 함수의 극값 및 최대·최소 정리를 이해하는지 평가한다.

[1–3] (i) n=1\displaystyle n=1인 경우함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [23π,2π]\displaystyle \left[\frac2{3\pi},\frac2\pi\right]에서 연속이므로 최대·최소 정리에 의하여 [23π,2π]\displaystyle \left[\frac2{3\pi},\frac2\pi\right]에서 최댓값과 최솟값을 가진다. 그런데, 구간의 양 끝점에서 함숫값이 f(23π)=0=f(2π)\displaystyle f\left(\frac2{3\pi}\right)=0=f\left(\frac2\pi\right)로 같으므로 열린 구간 (23π,2π)\displaystyle \left(\frac2{3\pi},\frac2\pi\right)에 속하는 x=c\displaystyle x=c에서 최댓값 또는 최솟값을 갖는다. 따라서 f(x)\displaystyle f(x)는 x=c\displaystyle x=c에서 극값을 가진다.그러므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 열린 구간 (23π,2π)\displaystyle \left(\frac2{3\pi},\frac2\pi\right)의 적어도 한 점에서 극값을 가진다.(ii) n=2\displaystyle n=2인 경우(i)에 의하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 열린 구간 (23π,2π)\displaystyle \left(\frac2{3\pi},\frac2\pi\right)의 적어도 한 점에서 극값을 가진다.또한 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [25π,23π]\displaystyle \left[\frac2{5\pi},\frac2{3\pi}\right]에서 연속이므로 최대·최소 정리에 의하여 [25π,23π]\displaystyle \left[\frac2{5\pi},\frac2{3\pi}\right]에서 최댓값과 최솟값을 가진다. 그런데, 구간의 양 끝점에서 함숫값이 f(25π)=0=f(23π)\displaystyle f\left(\frac2{5\pi}\right)=0=f\left(\frac2{3\pi}\right)로 같으므로 열린 구간 (25π,23π)\displaystyle \left(\frac2{5\pi},\frac2{3\pi}\right)에 속하는 x=c\displaystyle x=c에서 최댓값 또는 최솟값을 갖는다. 따라서 f(x)\displaystyle f(x)는 x=c\displaystyle x=c에서 극값을 가지므로 f(x)\displaystyle f(x)는 열린 구간 (25π,23π)\displaystyle \left(\frac2{5\pi},\frac2{3\pi}\right)의 적어도 한 점에서 극값을 가진다.그러므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (25π,2π)\displaystyle \left(\frac2{5\pi},\frac2\pi\right)의 적어도 두 점에서 극값을 가진다.(iii) n=3\displaystyle n=3인 경우(ii)에 의하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 열린 구간 (25π,2π)\displaystyle \left(\frac2{5\pi},\frac2\pi\right)의 적어도 두 점에서 극값을 가진다.또한 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [27π,25π]\displaystyle \left[\frac2{7\pi},\frac2{5\pi}\right]에서 연속이므로 최대최소 정리에 의하여 [27π,25π]\displaystyle \left[\frac2{7\pi},\frac2{5\pi}\right]에서 최댓값과 최솟값을 가진다. 그런데, 구간의 양 끝점에서 함숫값이 f(27π)=0=f(25π)\displaystyle f\left(\frac2{7\pi}\right)=0=f\left(\frac2{5\pi}\right)로 같으므로 열린 구간 (27π,25π)\displaystyle \left(\frac2{7\pi},\frac2{5\pi}\right)에 속하는 x=c\displaystyle x=c에서 최댓값 또는 최솟값을 갖는다.따라서 f(x)\displaystyle f(x)는 x=c\displaystyle x=c에서 극값을 가지므로 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (27π,25π)\displaystyle \left(\frac2{7\pi},\frac2{5\pi}\right)의 적어도 한 점에서 극값을 가진다. 그러므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (27π,2π)\displaystyle \left(\frac2{7\pi},\frac2\pi\right)의 적어도 세 점에서 극값을 가진다.위의 과정을 반복하면, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 열린 구간 (2(2n+1)π,2π)\displaystyle \left(\frac2{(2n+1)\pi},\frac2\pi\right)의 적어도 n\displaystyle n개의 점에서 극값을 가진다.

1-4 · 접선의 기울기와 미분계수, 삼각함수와의 관계, 미적분의 기본정리(적분과 미분의 관계) 및 삼각함수의 덧셈정리를 이해하는지 평가한다.

[1–4] y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 y=F(x)\displaystyle y=F(x)의 그래프 위에 있는 점 (1,0)\displaystyle (1,0)에서의 접선과 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 각각 θ1,θ2\displaystyle \theta_1,\theta_2라고 하자. g′(x)=xex−1\displaystyle g^{\prime}(x)=xe^{x-1}이므로 tan⁡θ1=g′(1)=1\displaystyle \tan\theta_1=g^{\prime}(1)=1이고 적분과 미분의 관계에 의하여 tan⁡θ2=F′(1)=f(1)=α\displaystyle \tan\theta_2=F^{\prime}(1)=f(1)=\alpha이다.따라서 ∣tan⁡θ∣=∣tan⁡(θ1−θ2)∣=∣tan⁡θ1−tan⁡θ21+tan⁡θ1tan⁡θ2∣=∣1−α1+α∣\displaystyle |\tan\theta|=|\tan(\theta_1-\theta_2)|=\left|\frac{\tan\theta_1-\tan\theta_2}{1+\tan\theta_1\tan\theta_2}\right|=\left|\frac{1-\alpha}{1+\alpha}\right|이다.그러므로 cos⁡2θ=cos⁡(θ+θ)=cos⁡2θ−sin⁡2θ=2cos⁡2θ−1=2sec⁡2θ−1=21+tan⁡2θ−1=1−tan⁡2θ1+tan⁡2θ=1−(1−α1+α)21+(1−α1+α)2=(1+α)2−(1−α)2(1+α)2+(1−α)2=2α1+α2\displaystyle \begin{aligned}\cos2\theta&=\cos(\theta+\theta)=\cos^2\theta-\sin^2\theta=2\cos^2\theta-1=\frac2{\sec^2\theta}-1=\frac2{1+\tan^2\theta}-1=\frac{1-\tan^2\theta}{1+\tan^2\theta}\\&=\frac{1-\left(\frac{1-\alpha}{1+\alpha}\right)^2}{1+\left(\frac{1-\alpha}{1+\alpha}\right)^2}=\frac{(1+\alpha)^2-(1-\alpha)^2}{(1+\alpha)^2+(1-\alpha)^2}=\frac{2\alpha}{1+\alpha^2}\end{aligned}이다.

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