수리논술, 이게 다다.

자연계열 (2차) 2번

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문제

[가] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능할 때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))에서의 접선의 방정식은 y−f(a)=f′(a)(x−a)\displaystyle y-f(a)=f^{\prime}(a)(x-a)이다.

[나] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 어떤 구간에서 미분가능하고, 이 구간의 모든 x\displaystyle x에 대하여① 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 치역② 곡선과 좌표축의 교점③ 곡선의 대칭성과 주기④ 함수의 증가와 감소, 극대와 극소⑤ 곡선의 오목과 볼록, 변곡점⑥ lim⁡x→∞f(x)\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x), lim⁡x→−∞f(x)\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x), 점근선

【2-1】 방정식 x4−8x2−1=0\displaystyle x^4-8x^2-1=0의 1\displaystyle 1보다 큰 해가 오직 하나 존재함을 보이시오.

1\displaystyle 1보다 큰 실수 t\displaystyle t에 대하여, 곡선 y=1x\displaystyle y=\frac1x 위의 두 점 P1(1t,t)\displaystyle \mathrm{P}_1\left(\frac1t,t\right)와 P2(t,1t)\displaystyle \mathrm{P}_2\left(t,\frac1t\right)에서의 접선을 각각 l1\displaystyle l_1과 l2\displaystyle l_2라 하고, 곡선 y=1x\displaystyle y=\frac1x과 두 접선 l1\displaystyle l_1과 l2\displaystyle l_2로 둘러싸인 도형의 넓이를 S(t)\displaystyle S(t)라 하자. 문항 【2-2】~【2-5】에 답하시오.

【2-2】 함수 S(t)\displaystyle S(t)를 구하시오.

【2-3】 함수 y=t−2ln⁡t (t>1)\displaystyle y=t-2\ln t\ (t>1)의 최솟값을 구하고, 1\displaystyle 1보다 큰 실수 t\displaystyle t에 대하여 S(t)<t\displaystyle S(t)<t임을 보이시오.

【2-4】 극한 lim⁡t→1+S′(t)\displaystyle \lim_{t\to1^+}S^{\prime}(t)를 조사하고, t2(t2+1)3S′′(t)\displaystyle t^2(t^2+1)^3S^{\prime\prime}(t)를 구하시오.

【2-5】 두 함수 y=S(t)\displaystyle y=S(t)와 y=S−1(t)\displaystyle y=S^{-1}(t)의 그래프의 개형을 한 평면에 그리시오. (단, 방정식 x4−8x2−1=0\displaystyle x^4-8x^2-1=0의 1\displaystyle 1보다 큰 해는 a\displaystyle a라 한다.)

해설강의 준비중
· 【2-1】 주어진 함수의 도함수와 제시문 [나]를 활용하여 다항함수의 그래프를 그릴 수 있다. 함수의 그래프를 방정식에 관한 문제에 적용할 수 있다.

【2-1】 f(x)=x4−8x2−1\displaystyle f(x)=x^4-8x^2-1이라고 하면 f′(x)=4x3−16x=4x(x+2)(x−2)\displaystyle f^{\prime}(x)=4x^3-16x=4x(x+2)(x-2)이므로, 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내고 그 그래프를 그리면 다음과 같다.x⋯−2⋯0⋯2⋯f′(x)−0+0−0+f(x)↘−17↗−1↘−17↗\displaystyle \begin{array}{c|ccccccc}x&\cdots&-2&\cdots&0&\cdots&2&\cdots\\\hline f^{\prime}(x)&-&0&+&0&-&0&+\\\hline f(x)&\searrow&-17&\nearrow&-1&\searrow&-17&\nearrow\end{array}

사차함수 x의 네제곱-8x제곱-1의 그래프

f(1)=−8<0\displaystyle f(1)=-8<0이고 f(3)=8>0\displaystyle f(3)=8>0이라는 사실과 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프에 의해 방정식 x4−8x2−1=0\displaystyle x^4-8x^2-1=0의 1\displaystyle 1보다 큰 해는 오직 하나 존재한다.

· 【2-2】 제시문 [가]를 이용하여 주어진 곡선 위의 두 점에서의 접선의 방정식을 구할 수 있다. 두 직선의 교점을 구할 수 있다. 주어진 곡선과 두 접선으로 둘러싸인 도형의 넓이를 정적분을 이용하여 계산할 수 있다.

【2-2】 y=1x\displaystyle y=\frac1x을 미분하면 y′=−1x2\displaystyle y^{\prime}=-\frac1{x^2}이므로 제시문 [가]에 의해 두 접선 l1\displaystyle l_1과 l2\displaystyle l_2의 방정식은 각각y−t=−t2(x−1t),y−1t=−1t2(x−t)\displaystyle y-t=-t^2\left(x-\frac1t\right),\quad y-\frac1t=-\frac1{t^2}(x-t), 즉, y=−t2x+2t,y=−1t2x+2t\displaystyle y=-t^2x+2t,\quad y=-\frac1{t^2}x+\frac2t이다.l1\displaystyle l_1과 l2\displaystyle l_2의 교점의 x\displaystyle x좌표를 구하기 위해−t2x+2t=−1t2x+2t\displaystyle -t^2x+2t=-\frac1{t^2}x+\frac2t을 풀면 t>1\displaystyle t>1이기 때문에x=2tt2+1\displaystyle x=\frac{2t}{t^2+1}따라서, 교점의 좌표는 (2tt2+1,2tt2+1)\displaystyle \left(\frac{2t}{t^2+1},\frac{2t}{t^2+1}\right)이다.

유리함수와 두 접선으로 둘러싸인 도형

b=2tt2+1\displaystyle b=\frac{2t}{t^2+1}라 놓고 S(t)\displaystyle S(t)를 적분과 사다리꼴의 넓이를 이용하여 계산하면,S(t)=∫1tt1x dx−12(t+b)(b−1t)−12(b+1t)(t−b)=ln⁡t−ln⁡1t−b(t−1t)=2ln⁡t−2(t2−1)t2+1\displaystyle \begin{aligned}S(t)&=\int_{\frac1t}^t\frac1x\,dx-\frac12(t+b)\left(b-\frac1t\right)-\frac12\left(b+\frac1t\right)(t-b)\\&=\ln t-\ln\frac1t-b\left(t-\frac1t\right)\\&=2\ln t-\frac{2(t^2-1)}{t^2+1}\end{aligned}

· 【2-3】 주어진 함수의 도함수와 제시문 [나]를 활용하여 최솟값을 구할 수 있다. 이를 활용하여 주어진 부등식이 성립함을 보일 수 있다.

【2-3】 함수 y=t−2ln⁡t (t>1)\displaystyle y=t-2\ln t\ (t>1)의 최솟값을 구하기 위해, g(t)=t−2ln⁡t (t>1)\displaystyle g(t)=t-2\ln t\ (t>1)라고 하면 g′(t)=1−2t=t−2t\displaystyle g^{\prime}(t)=1-\frac2t=\frac{t-2}t이므로 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.t1⋯2⋯g′(t)−0+g(t)↘2−2ln⁡2↗\displaystyle \begin{array}{c|cccc}t&1&\cdots&2&\cdots\\\hline g^{\prime}(t)&&-&0&+\\\hline g(t)&&\searrow&2-2\ln2&\nearrow\end{array}따라서 y=t−2ln⁡t (t>1)\displaystyle y=t-2\ln t\ (t>1)의 최솟값은 2−2ln⁡2\displaystyle 2-2\ln2이다.그러므로 t>1\displaystyle t>1일 때, 2(t2−1)t2+1>0\displaystyle \frac{2(t^2-1)}{t^2+1}>0와 ln⁡2<ln⁡e=1\displaystyle \ln2<\ln e=1임을 이용하면t−S(t)=t−2ln⁡t+2(t2−1)t2+1>t−2ln⁡t≥2−2ln⁡2=2(1−ln⁡2)>0\displaystyle t-S(t)=t-2\ln t+\frac{2(t^2-1)}{t^2+1}>t-2\ln t\ge2-2\ln2=2(1-\ln2)>0이 되어 S(t)<t\displaystyle S(t)<t이다.

· 【2-4】 여러 가지 미분법을 이용하여 로그함수와 유리함수의 도함수를 계산할 수 있다. 함수의 우극한을 구할 수 있다.

【2-4】 S(t)=2ln⁡t−2(t2−1)t2+1\displaystyle S(t)=2\ln t-\frac{2(t^2-1)}{t^2+1}이므로S′(t)=2t−2×2t(t2+1)−(t2−1)(2t)(t2+1)2=2t−8t(t2+1)2\displaystyle S^{\prime}(t)=\frac2t-2\times\frac{2t(t^2+1)-(t^2-1)(2t)}{(t^2+1)^2}=\frac2t-\frac{8t}{(t^2+1)^2}이고S′′(t)=−2t2−8{1(t2+1)2−4t2(t2+1)3}=−2t2−8(t2+1)2+32t2(t2+1)3\displaystyle S^{\prime\prime}(t)=-\frac2{t^2}-8\left\{\frac1{(t^2+1)^2}-\frac{4t^2}{(t^2+1)^3}\right\}=-\frac2{t^2}-\frac8{(t^2+1)^2}+\frac{32t^2}{(t^2+1)^3}따라서 lim⁡t→1+S′(t)=21−8(12+1)2=0\displaystyle \lim_{t\to1^+}S^{\prime}(t)=\frac21-\frac8{(1^2+1)^2}=0이고 t2(t2+1)3S′′(t)=−2(t2+1)3−8t2(t2+1)+32t4\displaystyle t^2(t^2+1)^3S^{\prime\prime}(t)=-2(t^2+1)^3-8t^2(t^2+1)+32t^4이다.

· 【2-5】 문항 【2-1】~【2-4】의 결과를 활용하여 제시문 [다]에 주어진 그래프 개형을 그리는 방법을 바탕으로 문항 【2-2】에서 구한 함수의 그래프의 개형을 그릴 수 있다. 함수와 그 역함수의 그래프 사이의 관계를 이해하여 역함수의 그래프를 그릴 수 있다.

【2-5】 S′(t)=2t−8t(t2+1)2=2×(t2+1)2−(2t)2t(t2+1)2=2(t+1)2(t−1)2t(t2+1)2\displaystyle S^{\prime}(t)=\frac2t-\frac{8t}{(t^2+1)^2}=2\times\frac{(t^2+1)^2-(2t)^2}{t(t^2+1)^2}=\frac{2(t+1)^2(t-1)^2}{t(t^2+1)^2}이므로, 구간 (1,∞)\displaystyle (1,\infty)에 속하는 모든 t\displaystyle t에 대하여 S′(t)>0\displaystyle S^{\prime}(t)>0이다. 따라서 S(t)\displaystyle S(t)의 극값은 존재하지 않고 제시문 [나]에 의해 S(t)\displaystyle S(t)는 구간 (1,∞)\displaystyle (1,\infty)에서 증가한다. 또한,lim⁡t→1+S(t)=lim⁡t→1+{2ln⁡t−2(t2−1)t2+1}=2ln⁡1−2(12−1)12+1=0\displaystyle \lim_{t\to1^+}S(t)=\lim_{t\to1^+}\left\{2\ln t-\frac{2(t^2-1)}{t^2+1}\right\}=2\ln1-\frac{2(1^2-1)}{1^2+1}=0이고lim⁡t→∞S(t)=lim⁡t→∞{2ln⁡t−2(t2−1)t2+1}=∞\displaystyle \lim_{t\to\infty}S(t)=\lim_{t\to\infty}\left\{2\ln t-\frac{2(t^2-1)}{t^2+1}\right\}=\infty이므로 치역은 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)이다.h(t)=t4−8t2−1\displaystyle h(t)=t^4-8t^2-1라 하면, S′′(t)=−2(t2−1)h(t)t2(t2+1)3\displaystyle S^{\prime\prime}(t)=\frac{-2(t^2-1)h(t)}{t^2(t^2+1)^3}이다. 따라서 t>1\displaystyle t>1일 때, S′′(a)=0\displaystyle S^{\prime\prime}(a)=0이고 문항 【2-1】의 y=x4−8x2−1\displaystyle y=x^4-8x^2-1의 그래프로부터 다음을 알 수 있다.① 1<t<a\displaystyle 1<t<a이면 h(t)<0\displaystyle h(t)<0이므로 S′′(t)>0\displaystyle S^{\prime\prime}(t)>0이 되어 곡선 y=S(t)\displaystyle y=S(t)는 아래로 볼록② t>a\displaystyle t>a이면 h(t)>0\displaystyle h(t)>0이므로 S′′(t)<0\displaystyle S^{\prime\prime}(t)<0이 되어 곡선 y=S(t)\displaystyle y=S(t)는 위로 볼록그러므로 점 (a,S(a))\displaystyle (a,S(a))는 변곡점이다.따라서 y=S(t)\displaystyle y=S(t)의 그래프의 개형을 그린 후, 이를 직선 y=t\displaystyle y=t에 대칭이 되도록 역함수 y=S−1(t)\displaystyle y=S^{-1}(t)의 그래프의 개형을 그리면 다음 그림과 같다.

함수 S와 역함수의 그래프

고등학교 교육과정에서 필수적으로 다루어지는 미적분학의 기본적인 내용을 바탕으로 함수의 도함수와 정적분을 제대로 이해하고 이를 다양한 상황에 활용할 수 있는지 평가한다. 특히 접선의 방정식, 함수의 증가와 감소, 곡선의 오목과 볼록, 변곡점, 함수의 그래프를 이용하여 최솟값, 방정식, 부등식에 관한 문제해결, 곡선과 두 직선으로 둘러싸인 도형의 넓이에 활용할 수 있는지 평가한다. 또한, 함수와 그 역함수의 그래프 사이의 관계를 이해하는지 평가한다. 구체적인 채점 기준은 다음과 같다.

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