수리논술, 이게 다다.

자연계열 (2차) 2번

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문제

[가] 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 x=a\displaystyle x=a에서의 극한값이 L\displaystyle L이면 x=a\displaystyle x=a에서의 우극한과 좌극한이 모두 존재하고 그 값은 모두 L\displaystyle L과 같다. 또 그 역도 성립하므로 다음이 성립한다.lim⁡x→af(x)=L⇔lim⁡x→a+f(x)=lim⁡x→a−f(x)=L\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=L\quad\Leftrightarrow\quad\lim_{x\to a^+}f(x)=\lim_{x\to a^-}f(x)=L

[나] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 어떤 구간에서 미분가능하고 이 구간의 모든 x\displaystyle x에서(1) f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 이 구간에서 증가한다.(2) f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 이 구간에서 감소한다.

[다] 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 개형은 다음과 같은 사항을 조사하여 그릴 수 있다.(1) 함수의 정의역과 치역 (2) 곡선의 대칭성과 주기 (3) 좌표축과의 교점(4) 함수의 증가와 감소, 극대와 극소 (5) 곡선의 볼록과 변곡점 (6) lim⁡x→∞f(x)\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x), lim⁡x→−∞f(x)\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x), 점근선

[라] 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속인 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프와 두 직선 x=a\displaystyle x=a, x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는S=∫ab∣f(x)−g(x)∣ dx\displaystyle S=\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx

【2-1】 실수 x\displaystyle x에 대하여 두 점 (0,1)\displaystyle (0,1), (x,ex)\displaystyle (x,e^x) 사이의 거리를 d(x)\displaystyle d(x)라 하자. 극한 lim⁡x→0d(x)x\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{d(x)}x의 수렴, 발산 여부를 조사하고, 수렴하면 그 극한값을 구하시오. (단, 무리수 e=lim⁡x→0(1+x)1x\displaystyle e=\lim_{x\to0}(1+x)^{\frac1x})

두 실수 p\displaystyle p, c\displaystyle c는 0<p<1\displaystyle 0<p<1와 c>0\displaystyle c>0를 만족하고, 곡선 y=xp (x≥0)\displaystyle y=x^p\ (x\ge0) 위의 점 (c,cp)\displaystyle (c,c^p)에서의 접선의 방정식을 y=l(x)\displaystyle y=l(x)라 하자. 문항 【2-2】~【2-4】에 답하시오.

【2-2】 x≥0\displaystyle x\ge0일 때 부등식 l(x)≥xp\displaystyle l(x)\ge x^p이 성립함을 보이시오. 이 부등식과 제시문 [다]를 이용하여 두 함수 y=xp\displaystyle y=x^p, y=l(x)\displaystyle y=l(x)의 그래프의 개형을 한 평면에 그리시오.

【2-3】 c>0\displaystyle c>0에 대하여 두 함수 y=xp\displaystyle y=x^p, y=l(x)\displaystyle y=l(x)의 그래프와 두 직선 x=0\displaystyle x=0, x=1\displaystyle x=1로 둘러싸인 도형의 넓이가 최소가 되는 c\displaystyle c의 값을 구하시오. (단, 여기서 p\displaystyle p는 부등식 0<p<1\displaystyle 0<p<1을 만족하는 고정된 실수)

【2-4】 c=1e\displaystyle c=\frac1e일 때 두 함수 y=xp\displaystyle y=x^p, y=l(x)\displaystyle y=l(x)의 그래프와 직선 x=0\displaystyle x=0으로 둘러싸인 도형의 넓이를 S(p)\displaystyle S(p), 두 함수 y=xp\displaystyle y=x^p, y=l(x)\displaystyle y=l(x)의 그래프와 직선 x=1\displaystyle x=1으로 둘러싸인 도형의 넓이를 R(p)\displaystyle R(p)라 하자. 극한 lim⁡p→0+S(p)+R(p)S(p)\displaystyle \lim_{p\to0^+}\frac{S(p)+R(p)}{S(p)}의 수렴, 발산 여부를 조사하고, 수렴하면 그 극한값을 구하시오. (단, 무리수 e=lim⁡x→0(1+x)1x\displaystyle e=\lim_{x\to0}(1+x)^{\frac1x})

해설강의 준비중
· 【2-1】 두 점 사이의 거리를 구하고, 극한을 표현할 수 있다. 무리수 e\displaystyle e의 정의로부터 좌극한과 우극한의 값을 구하고 제시문 [가]의 좌극한, 우극한과 극한의 관계를 이용하여 극한값의 존재 여부를 확인할 수 있다.

【2-1】 함수 d(x)=x2+(ex−1)2\displaystyle d(x)=\sqrt{x^2+(e^x-1)^2}이고 무리수 e\displaystyle e의 정의로부터 lim⁡x→0ex−1x=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{e^x-1}x=1이다. 우극한을 구하면lim⁡x→0+x2+(ex−1)2x=lim⁡x→0+x2+(ex−1)2x2=lim⁡x→0+1+(ex−1x)2=2\displaystyle \lim_{x\to0^+}\frac{\sqrt{x^2+(e^x-1)^2}}x=\lim_{x\to0^+}\sqrt{\frac{x^2+(e^x-1)^2}{x^2}}=\lim_{x\to0^+}\sqrt{1+\left(\frac{e^x-1}x\right)^2}=\sqrt2x=−t\displaystyle x=-t로 치환하여 좌극한을 구하면lim⁡x→0−d(x)x=lim⁡x→0−x2+(ex−1)2x=lim⁡t→0+t2+(e−t−1)2−t=−lim⁡t→0+1+(e−t−1−t)2=−2\displaystyle \lim_{x\to0^-}\frac{d(x)}x=\lim_{x\to0^-}\frac{\sqrt{x^2+(e^x-1)^2}}x=\lim_{t\to0^+}\frac{\sqrt{t^2+(e^{-t}-1)^2}}{-t}=-\lim_{t\to0^+}\sqrt{1+\left(\frac{e^{-t}-1}{-t}\right)^2}=-\sqrt2우극한과 좌극한의 값이 다르므로 제시문 [가]에 의해 극한값은 존재하지 않는다.

· 【2-2】 제시문 [나]의 도함수의 부호와 함수의 증가 및 감소 관계를 이용하여 부등식이 성립함을 보일 수 있다. 제시문 [다]의 그래프를 그리는 방법을 바탕으로 그래프의 개형을 잘 그릴 수 있다.

【2-2】 x>0\displaystyle x>0일 때 ddxxp=pxp−1\displaystyle \frac d{dx}x^p=px^{p-1}이므로 l(x)=pcp−1(x−c)+cp=pcp−1x+(1−p)cp\displaystyle l(x)=pc^{p-1}(x-c)+c^p=pc^{p-1}x+(1-p)c^p이다. f(x)=l(x)−xp (x>0)\displaystyle f(x)=l(x)-x^p\ (x>0)라 하면 f′(x)=p(cp−1−xp−1)\displaystyle f^{\prime}(x)=p(c^{p-1}-x^{p-1})이고 f(c)=f′(c)=0\displaystyle f(c)=f^{\prime}(c)=0이다. 0<x<c\displaystyle 0<x<c일 때 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이고 x>c\displaystyle x>c일 때 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로, 제시문 [나]에 의해 f(x)\displaystyle f(x)는 0<x<c\displaystyle 0<x<c일 때 감소하고 x>c\displaystyle x>c일 때 증가한다. 따라서 x>0\displaystyle x>0에서 f(x)=l(x)−xp≥0\displaystyle f(x)=l(x)-x^p\ge0이다. x=0\displaystyle x=0일 때 l(0)=(1−p)cp>0p\displaystyle l(0)=(1-p)c^p>0^p이므로 x≥0\displaystyle x\ge0에서 부등식이 성립한다.제시문 [다]를 바탕으로 함수 y=xp\displaystyle y=x^p의 정의역 및 치역, 증감, 볼록, 극한을 조사한다. lim⁡x→∞xp=∞\displaystyle \lim_{x\to\infty}x^p=\infty이므로 정의역과 치역은 모두 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)이다. x>0\displaystyle x>0일 때 ddxxp=pxp−1>0\displaystyle \frac d{dx}x^p=px^{p-1}>0, d2dx2xp=p(p−1)xp−2<0\displaystyle \frac{d^2}{dx^2}x^p=p(p-1)x^{p-2}<0이므로 함수 y=xp\displaystyle y=x^p의 그래프는 증가하면서 위로 볼록이다. 그리고 l(x)≥xp\displaystyle l(x)\ge x^p이므로 두 함수 y=xp\displaystyle y=x^p, y=l(x)\displaystyle y=l(x)의 그래프의 개형을 그리면 다음과 같다.

거듭제곱 함수의 그래프와 접선
· 【2-3】 제시문 [라]의 정적분을 활용한 곡선의 넓이를 구하는 식과 문항 【2-2】의 부등식을 이용하여 곡선의 넓이를 구할 수 있다. 제시문 [나]의 도함수의 부호와 함수의 증가 및 감소 관계를 이용하여 넓이의 최솟값을 구할 수 있다.

【2-3】 제시문 [라]와 문항 【2-2】의 부등식으로부터 도형의 넓이는h(c)=∫01{pcp−1x−(p−1)cp−xp} dx=p2cp−1−(p−1)cp−1p+1\displaystyle h(c)=\int_0^1\{pc^{p-1}x-(p-1)c^p-x^p\}\,dx=\frac p2c^{p-1}-(p-1)c^p-\frac1{p+1}이다. h(c)\displaystyle h(c)의 최솟값을 구하기 위해 함수 h\displaystyle h를 미분하면,h′(c)=p(p−1)2cp−2−p(p−1)cp−1=p(p−1)cp−2(12−c)\displaystyle h^{\prime}(c)=\frac{p(p-1)}2c^{p-2}-p(p-1)c^{p-1}=p(p-1)c^{p-2}\left(\frac12-c\right)이므로 h′(12)=0\displaystyle h^{\prime}\left(\frac12\right)=0이고 0<c<12\displaystyle 0<c<\frac12일 때 h′(c)<0\displaystyle h^{\prime}(c)<0, c>12\displaystyle c>\frac12일 때 h′(c)>0\displaystyle h^{\prime}(c)>0이다. 따라서 제시문 [나]에 의해 h(c)\displaystyle h(c)는 0<c<12\displaystyle 0<c<\frac12일 때 감소, c>12\displaystyle c>\frac12일 때 증가한다. 따라서 c=12\displaystyle c=\frac12에서 넓이가 최소가 된다.

· 【2-4】 문항 【2-2】의 부등식 및 그래프의 개형과 [라]에 제시된 정적분을 활용한 곡선의 넓이를 구하는 식을 이용하여 영역들의 넓이를 구할 수 있다. 이와 관련된 함수의 극한을 극한의 기본적인 성질과 무리수 e\displaystyle e와 관련된 함수의 극한값을 이용하여 극한값을 구할 수 있다.

【2-4】 문항 【2-2】로부터 0≤x<1e\displaystyle 0\le x<\frac1e 또는 x>1e\displaystyle x>\frac1e일 때, l(x)>xp\displaystyle l(x)>x^p이므로, S(p)\displaystyle S(p)와 R(p)\displaystyle R(p)는 아래 그림의 도형 A\displaystyle \mathrm{A}와 B\displaystyle \mathrm{B}의 넓이가 된다.

접선과 거듭제곱 함수 사이의 두 영역 A, B

제시문 [라]에 의해S(p)=∫01ep(1e)p−1x−(p−1)(1e)p−xp dx={p2−(p−1)−1p+1}(1e)p+1=p(1−p)2(p+1)(1e)p+1\displaystyle S(p)=\int_0^{\frac1e}p\left(\frac1e\right)^{p-1}x-(p-1)\left(\frac1e\right)^p-x^p\,dx=\left\{\frac p2-(p-1)-\frac1{p+1}\right\}\left(\frac1e\right)^{p+1}=\frac{p(1-p)}{2(p+1)}\left(\frac1e\right)^{p+1}문항 【2-3】에 의해 S(p)+R(p)=h(1e)=(e2p−p+1)(1e)p−1p+1\displaystyle S(p)+R(p)=h\left(\frac1e\right)=\left(\frac e2p-p+1\right)\left(\frac1e\right)^p-\frac1{p+1}이다. 따라서S(p)+R(p)S(p)=e{p2(e−2)+ep+2(1−ep)}p(1−p)=e1−p{p(e−2)+e−2ep−1p}\displaystyle \frac{S(p)+R(p)}{S(p)}=\frac{e\{p^2(e-2)+ep+2(1-e^p)\}}{p(1-p)}=\frac e{1-p}\left\{p(e-2)+e-2\frac{e^p-1}p\right\}lim⁡p→0ep−1p=1\displaystyle \lim_{p\to0}\frac{e^p-1}p=1이므로 lim⁡p→0+S(p)+R(p)S(p)=e2−2e\displaystyle \lim_{p\to0^+}\frac{S(p)+R(p)}{S(p)}=e^2-2e이다.

고등학교 교육과정에서 필수적으로 다루어지는 미적분의 기본적인 내용을 바탕으로 함수의 도함수와 정적분을 제대로 이해하고 이를 다양한 상황에 활용할 수 있는지 평가한다. 특히 접선의 방정식, 함수의 증가와 감소, 극대와 극소, 함수의 그래프와 두 곡선 사이의 넓이에 활용할 수 있는지 평가한다. 구체적인 채점기준은 다음과 같다.

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