수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (1차) 2번

문제

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2-1 · 미분계수의 뜻과 기하학적 의미를 알고, 그 값을 구할 수 있는지, 함수에 대한 평균값 정리를 이해하는지, 절대부등식의 의미를 이해하고, 간단한 절대부등식을 증명할 수 있는지를 평가한다.

【2-1】함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (0,1)\displaystyle (0,1), (1,)\displaystyle (1,\infty) 각각에서 미분가능하고, 0<x<1\displaystyle 0<x<1이면 f(x)=2x\displaystyle f^{\prime}(x)=2x이고 x>1\displaystyle x>1이면 f(x)=2\displaystyle f^{\prime}(x)=2이다. 또한,limx1f(x)f(1)x1=limx1x21x1=2\displaystyle \lim_{x\to1-}\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=\lim_{x\to1-}\frac{x^2-1}{x-1}=2이고 limx1+f(x)f(1)x1=limx1+(2x1)1x1=2\displaystyle \lim_{x\to1+}\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=\lim_{x\to1+}\frac{(2x-1)-1}{x-1}=2이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=1\displaystyle x=1에서 미분가능하다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 도함수를 정리하면,f(x)={2x(0<x<1)2(x1)\displaystyle f^{\prime}(x)=\begin{cases}2x&(0<x<1)\\2&(x\ge1)\end{cases}이다. 이제 부등식을 증명한다. a1\displaystyle a\ge1라고 가정하면 f(a)=2a1\displaystyle f(a)=2a-1, f(a)=2\displaystyle f^{\prime}(a)=2이다. 따라서 0<x<1\displaystyle 0<x<1이면f(x)f(a)f(a)(xa)=x2(2a1)2(xa)=(x1)20\displaystyle f(x)-f(a)-f^{\prime}(a)(x-a)=x^2-(2a-1)-2(x-a)=(x-1)^2\ge0이고 x1\displaystyle x\ge1이면f(x)f(a)f(a)(xa)=(2x1)(2a1)2(xa)=0\displaystyle f(x)-f(a)-f^{\prime}(a)(x-a)=(2x-1)-(2a-1)-2(x-a)=0이다. 0<a<1\displaystyle 0<a<1일 때는 f(a)=a2\displaystyle f(a)=a^2, f(a)=2a\displaystyle f^{\prime}(a)=2a이다. 따라서 0<x<1\displaystyle 0<x<1이면f(x)f(a)f(a)(xa)=x2a22a(xa)=(xa)20\displaystyle f(x)-f(a)-f^{\prime}(a)(x-a)=x^2-a^2-2a(x-a)=(x-a)^2\ge0이고 x1\displaystyle x\ge1이면f(x)f(a)f(a)(xa)=(2x1)a22a(xa)(a1)20\displaystyle f(x)-f(a)-f^{\prime}(a)(x-a)=(2x-1)-a^2-2a(x-a)\ge(a-1)^2\ge0이다.

2-2 · 접선의 방정식을 구할 수 있는지, 함수의 증가, 감소, 극대와 극소를 판정하고 설명할 수 있는지를 평가한다.

【2-2】양의 실수 a\displaystyle a에 대하여, 점 A(a,f(a))\displaystyle A(a,f(a))에서의 접선의 방정식은 y=f(a)(xa)+f(a)\displaystyle y=f^{\prime}(a)(x-a)+f(a)이므로 이 직선에 수직이며 점 A\displaystyle A를 지나는 직선의 방정식은y=1f(a)(xa)+f(a)\displaystyle y=-\frac1{f^{\prime}(a)}(x-a)+f(a)이다. 이 직선이 x\displaystyle x축과 만나는 점의 x\displaystyle x좌표는1f(a)(xa)+f(a)=0\displaystyle -\frac1{f^{\prime}(a)}(x-a)+f(a)=0에서 x=a+f(a)f(a)\displaystyle x=a+f(a)f^{\prime}(a)이다. 따라서 구하는 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 아래와 같다.g(x)=x+f(x)f(x)={2x3+x(0<x<1)5x2(x1)\displaystyle g(x)=x+f(x)f^{\prime}(x)=\begin{cases}2x^3+x&(0<x<1)\\5x-2&(x\ge1)\end{cases}이 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 구간 (0,1)\displaystyle (0,1), (1,)\displaystyle (1,\infty) 각각에서 연속이고 limx1g(x)=limx1+g(x)=3=g(1)\displaystyle \lim_{x\to1-}g(x)=\lim_{x\to1+}g(x)=3=g(1)이므로 전체 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 연속이다. 또한, 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 구간 [1,)\displaystyle [1,\infty)에서는 기울기가 양인 일차함수이므로 당연히 증가하고, 0<x<1\displaystyle 0<x<1일 때 g(x)=6x2+1>0\displaystyle g^{\prime}(x)=6x^2+1>0이므로 (0,1)\displaystyle (0,1)에서 증가한다. 따라서 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 전체 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 증가한다.

2-3 · 두 직선의 수직 조건을 이해하고, 주어진 직선에 수직인 직선의 방정식을 구할 수 있는지, 점과 직선 사이의 거리를 구할 수 있는지, 두 평면벡터의 내적의 뜻을 알고, 이를 구할 수 있는지를 평가한다.

【2-3】α3\displaystyle \alpha\ge3일 때, g(x)=α\displaystyle g(x)=\alpha를 만족시키는 양의 실수 x\displaystyle xβ\displaystyle \beta라고 하자. 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 구간 (0,)\displaystyle (0,\infty)에서 증가하고 g(1)=3α\displaystyle g(1)=3\le\alpha이므로 β1\displaystyle \beta\ge1이다. 이때 g(β)=5β2=α\displaystyle g(\beta)=5\beta-2=\alpha이므로 β=α+25\displaystyle \beta=\frac{\alpha+2}5이다.또한, β1\displaystyle \beta\ge1이므로 f(β)=2β1=2α15\displaystyle f(\beta)=2\beta-1=\frac{2\alpha-1}5이다. 좌표가 (β,f(β))\displaystyle (\beta,f(\beta))인 점을 B라고 나타내면, 점 B는 점 A에서 직선 y=2x1\displaystyle y=2x-1에 내린 수선의 발이다. 한편, 0<x<1\displaystyle 0<x<1인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=x2>2x1\displaystyle f(x)=x^2>2x-1이다. 따라서 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 임의의 점 C(x,f(x))\displaystyle \mathrm C(x,f(x))에 대하여 xβ\displaystyle x\ne\beta이면 AB<AC\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}<\overline{\mathrm{AC}}가 성립한다. 그러므로 구하는 점 B의 좌표는(β,f(β))=(α+25,2α15)\displaystyle (\beta,f(\beta))=\left(\frac{\alpha+2}5,\frac{2\alpha-1}5\right)이다.

2-4 · 함수의 증가, 감소, 극대와 극소를 판정하고 설명할 수 있는지, 두 직선의 수직 조건을 이해하고, 주어진 직선에 수직인 직선의 방정식을 구할 수 있는지, 점과 직선 사이의 거리를 구할 수 있는지, 두 평면벡터의 내적의 뜻을 알고, 이를 구할 수 있는지를 평가한다.

【2-4】0<α<3\displaystyle 0<\alpha<3일 때, 점 A(α,0)\displaystyle (\alpha,0)에서 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 B까지의 거리 AB\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}가 최소가 되는 점 B는 포물선 y=x2\displaystyle y=x^20<x<1\displaystyle 0<x<1부분에 존재한다. 포물선 y=x2\displaystyle y=x^2 위의 임의의 점 B(x,x2)\displaystyle (x,x^2)에 대하여 거리 AB\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}의 제곱을 F(x)\displaystyle F(x)라고 하면F(x)=(xα)2+(x2)2=x4+x22αx+α2\displaystyle F(x)=(x-\alpha)^2+(x^2)^2=x^4+x^2-2\alpha x+\alpha^2이다. 이제, AB\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}가 최소가 되는 점 B의 x\displaystyle x좌표를 β\displaystyle \beta라고 하면 함수 F(x)\displaystyle F(x)x=β\displaystyle x=\beta에서 최솟값을 가지므로F(β)=4β3+2β2α=0\displaystyle F^{\prime}(\beta)=4\beta^3+2\beta-2\alpha=0,2β3+β=α\displaystyle 2\beta^3+\beta=\alpha\qquad\cdots\text{①}가 성립한다. 이 등식이 (α,β)=(3,1)\displaystyle (\alpha,\beta)=(3,1)일 때도 성립하므로2(1β3)+(1β)=3α\displaystyle 2(1-\beta^3)+(1-\beta)=3-\alpha이고, 이를 인수분해하면(1β)(3+2β+2β2)=3α\displaystyle (1-\beta)(3+2\beta+2\beta^2)=3-\alpha이다. 여기서,0<α<3이고3+2β+2β2=2(β+12)2+5252\displaystyle 0<\alpha<3\quad\text{이고}\quad3+2\beta+2\beta^2=2\left(\beta+\frac12\right)^2+\frac52\ge\frac52이므로0<52(1β)3α,0<1β25(3α)\displaystyle 0<\frac52(1-\beta)\le3-\alpha,\quad\text{즉}\quad0<1-\beta\le\frac25(3-\alpha)이다.

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