수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (2차) 2번

문제

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주어진 조건에 의해, g(x)=f(x)+1sin2f(x)=f(x)+cosf(x)\displaystyle g(x)=f(x)+\sqrt{1-\sin^2f(x)}=f(x)+|\cos f(x)|이다.

· 문항 【2-1】은 조건을 만족하는 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 구하고 다항함수 및 삼각함수의 적분법 및 삼각함수의 주기성을 이용하여 정적분을 구할 수 있는지 평가한다.

【2-1】 f(x)=10x\displaystyle f(x)=10x이므로 g(x)=10x+cos10x\displaystyle g(x)=10x+|\cos10x|이고0πg(x)dx=0π(10x+cos10x)dx=5π2+0πcos10xdx\displaystyle \int_0^\pi g(x)\,dx=\int_0^\pi(10x+|\cos10x|)\,dx=5\pi^2+\int_0^\pi|\cos10x|\,dxy=cos10x\displaystyle y=|\cos10x|는 주기가 π10\displaystyle \frac\pi{10}인 주기함수이므로0πcos10xdx=100π10cos10xdx=10(0π20cos10xdxπ20π10cos10xdx)=2\displaystyle \int_0^\pi|\cos10x|\,dx=10\int_0^{\frac\pi{10}}|\cos10x|\,dx=10\left(\int_0^{\frac\pi{20}}\cos10x\,dx-\int_{\frac\pi{20}}^{\frac\pi{10}}\cos10x\,dx\right)=2따라서0πg(x)dx=5π2+2\displaystyle \int_0^\pi g(x)\,dx=5\pi^2+2

· 문항 【2-2】는 제시문 [다]를 바탕으로 미분계수의 정의로부터 구간에서의 함수의 미분가능성을 조사하고 제시문 [나]를 이용하여 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 증가함수임을 보일 수 있는지 평가한다.

【2-2】 g(x)=x+cosx={x+cosx(0xπ2)xcosx(π2<xπ)\displaystyle g(x)=x+|\cos x|=\begin{cases}x+\cos x&\left(0\le x\le\frac\pi2\right)\\x-\cos x&\left(\frac\pi2<x\le\pi\right)\end{cases}이므로 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 구간 (0,π2)\displaystyle \left(0,\frac\pi2\right)(π2,π)\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right)에서 미분가능하다. x=π2\displaystyle x=\frac\pi2에서의 미분가능성을 조사하면limh0g(π2+h)g(π2)h=limh0hsinhh=0,limh0+g(π2+h)g(π2)h=limh0+h+sinhh=2\displaystyle \lim_{h\to0^-}\frac{g\left(\frac\pi2+h\right)-g\left(\frac\pi2\right)}h=\lim_{h\to0^-}\frac{h-\sin h}h=0,\quad\lim_{h\to0^+}\frac{g\left(\frac\pi2+h\right)-g\left(\frac\pi2\right)}h=\lim_{h\to0^+}\frac{h+\sin h}h=2이므로 제시문 [다]에 의해 x=π2\displaystyle x=\frac\pi2에서 미분가능하지 않다.함수 g(x)\displaystyle g(x)는 닫힌구간 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right]에서 연속이고 열린구간 (0,π2)\displaystyle \left(0,\frac\pi2\right)에서 g(x)=1sinx>0\displaystyle g^{\prime}(x)=1-\sin x>0이므로 제시문 [나]에 의해 닫힌구간 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right]에서 증가한다. 또한, g(x)\displaystyle g(x)는 닫힌구간 [π2,π]\displaystyle \left[\frac\pi2,\pi\right]에서 연속이고 열린구간 (π2,π)\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right)에서 g(x)=1+sinx>0\displaystyle g^{\prime}(x)=1+\sin x>0이므로, 닫힌구간 [π2,π]\displaystyle \left[\frac\pi2,\pi\right]에서 증가한다. 따라서 g(x)\displaystyle g(x)는 닫힌구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 증가한다.

· 문항 【2-3】은 도함수를 활용하여 주어진 구간에서 방정식이 오직 하나의 실근을 갖도록 하는 양의 실수 k\displaystyle k의 범위를 구할 수 있는지 평가한다.

【2-3】 h(x)=g(x)kx+π2(k1)\displaystyle h(x)=g(x)-kx+\frac\pi2(k-1)이라고 하자. h(π2)=g(π2)π2=0\displaystyle h\left(\frac\pi2\right)=g\left(\frac\pi2\right)-\frac\pi2=0이므로 x=π2\displaystyle x=\frac\pi2는 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0의 근이다. 따라서 구간 [0,π2)\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right)(π2,π]\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right]에서 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0의 근이 존재하지 않는 양의 실수 k\displaystyle k의 범위를 구하면 된다.(1) 구간 [0,π2)\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right)의 경우: 0<x<π2\displaystyle 0<x<\frac\pi2이면 h(x)=1sinxk\displaystyle h^{\prime}(x)=1-\sin x-k이다.(1-1) k1\displaystyle k\ge1일 때, 구간 (0,π2)\displaystyle \left(0,\frac\pi2\right)에서 h(x)<0\displaystyle h^{\prime}(x)<0이므로 함수 h(x)\displaystyle h(x)는 구간 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right]에서 감소한다. 따라서 0x<π2\displaystyle 0\le x<\frac\pi2일 때, h(x)>h(π2)=0\displaystyle h(x)>h\left(\frac\pi2\right)=0이므로 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 구간 [0,π2)\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right)에서 근을 갖지 않는다. (1-2) 0<k<1\displaystyle 0<k<1일 때, h(α)=1sinαk=0\displaystyle h^{\prime}(\alpha)=1-\sin\alpha-k=0이 되는 α\displaystyle \alpha가 구간 (0,π2)\displaystyle \left(0,\frac\pi2\right)에 존재하고 구간 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right]에서 함수 h(x)\displaystyle h(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.x0απ2h(x)+0h(x)1+π2(k1)h(α)0\displaystyle \begin{array}{c|ccccc}x&0&\cdots&\alpha&\cdots&\frac\pi2\\\hline h^{\prime}(x)&&+&0&-&\\\hline h(x)&1+\frac\pi2(k-1)&\nearrow&h(\alpha)&\searrow&0\end{array}0<k12π\displaystyle 0<k\le1-\frac2\pi이면 h(0)0\displaystyle h(0)\le0이므로 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0이 구간 [0,π2)\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right)에서 근을 갖는다.12π<k<1\displaystyle 1-\frac2\pi<k<1이면 h(0)>0\displaystyle h(0)>0이므로 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0이 구간 [0,π2)\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right)에서 근을 갖지 않는다.따라서 (1-1)과 (1-2)에 의해 k>12π\displaystyle k>1-\frac2\pi일 때, 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 구간 [0,π2)\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right)에서 근을 갖지 않는다.(2) 구간 (π2,π]\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right]의 경우: π2<x<π\displaystyle \frac\pi2<x<\pi에서 h(x)=1+sinxk\displaystyle h^{\prime}(x)=1+\sin x-k이다.(2-1) 0<k1\displaystyle 0<k\le1일 때, 함수 h(x)\displaystyle h(x)는 구간 [π2,π]\displaystyle \left[\frac\pi2,\pi\right]에서 증가하므로 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 구간 (π2,π]\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right]에서 근을 갖지 않는다.(2-2) k2\displaystyle k\ge2일 때, 함수 h(x)\displaystyle h(x)는 구간 [π2,π]\displaystyle \left[\frac\pi2,\pi\right]에서 감소하므로 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 구간 (π2,π]\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right]에서 근을 갖지 않는다.(2-3) 1<k<2\displaystyle 1<k<2일 때, h(β)=1+sinβk=0\displaystyle h^{\prime}(\beta)=1+\sin\beta-k=0이 되는 β\displaystyle \beta가 구간 (π2,π)\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right)에 존재하고 구간 [π2,π]\displaystyle \left[\frac\pi2,\pi\right]에서 함수 h(x)\displaystyle h(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.xπ2βπh(x)+0h(x)0h(β)1+π2(1k)\displaystyle \begin{array}{c|ccccc}x&\frac\pi2&\cdots&\beta&\cdots&\pi\\\hline h^{\prime}(x)&&+&0&-&\\\hline h(x)&0&\nearrow&h(\beta)&\searrow&1+\frac\pi2(1-k)\end{array}1+2πk<2\displaystyle 1+\frac2\pi\le k<2이면 h(π)0\displaystyle h(\pi)\le0이므로 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 구간 (π2,π]\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right]에서 근을 갖는다.1<k<1+2π\displaystyle 1<k<1+\frac2\pi이면 h(π)>0\displaystyle h(\pi)>0이므로 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 구간 (π2,π]\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right]에서 근을 갖지 않는다.따라서 (2-1), (2-2), (2-3)에 의해 0<k<1+2π\displaystyle 0<k<1+\frac2\pi 또는 k2\displaystyle k\ge2일 때, 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 구간 (π2,π]\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right]에서 근을 갖지 않는다.경우 (1)과 (2)에 의해 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0이 구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 오직 한 개의 근을 갖는 양의 실수 k\displaystyle k의 값의 범위는12π<k<1+2π\displaystyle 1-\frac2\pi<k<1+\frac2\pi 또는 k2\displaystyle k\ge2

· 문항 【2-4】는 조건을 만족하는 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 합성함수의 미분법을 활용하여 미분계수 f(a)\displaystyle f^{\prime}(a)23\displaystyle \frac23가 되는 실수 a\displaystyle a의 값을 구할 수 있는지 평가하는 문항이다. 특히, 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 직접 구하지 않고 합성함수 미분법을 이용하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 도함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)를 구하고 f(a)=23\displaystyle f^{\prime}(a)=\frac23의 값을 갖는 a\displaystyle a의 값을 주어진 범위에서 찾을 수 있는지 평가한다.

【2-4】 g(x)=x\displaystyle g(x)=x이므로 x=f(x)+cosf(x)\displaystyle x=f(x)+|\cos f(x)|이다. {xf(x)}2+sin2f(x)=1\displaystyle \{x-f(x)\}^2+\sin^2f(x)=1의 양변을 x\displaystyle x로 미분하면2{xf(x)}{1f(x)}+2f(x)sinf(x)cosf(x)=0\displaystyle 2\{x-f(x)\}\{1-f^{\prime}(x)\}+2f^{\prime}(x)\sin f(x)\cos f(x)=0xf(x)=cosf(x)\displaystyle x-f(x)=|\cos f(x)|이므로cosf(x){1f(x)}+f(x)sinf(x)cosf(x)=0\displaystyle |\cos f(x)|\{1-f^{\prime}(x)\}+f^{\prime}(x)\sin f(x)\cos f(x)=0따라서 x=a\displaystyle x=af(a)=23\displaystyle f^{\prime}(a)=\frac23를 대입하면cosf(a)+2sinf(a)cosf(a)=0\displaystyle |\cos f(a)|+2\sin f(a)\cos f(a)=0이고 만약 cosf(x)\displaystyle \cos f(x)0\displaystyle 0이 아니면f(x)=cosf(x)cosf(x)sinf(x)cosf(x)\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{|\cos f(x)|}{|\cos f(x)|-\sin f(x)\cos f(x)}(1) cosf(a)=0\displaystyle \cos f(a)=0이면 f(a)=acosf(a)=a\displaystyle f(a)=a-|\cos f(a)|=a이므로 cosa=0\displaystyle \cos a=0이 된다. 하지만 π2<a<π+1\displaystyle \frac\pi2<a<\pi+1에서 cosa=0\displaystyle \cos a=0이 되는 a\displaystyle a는 존재하지 않는다.(2) cosf(a)>0\displaystyle \cos f(a)>0이면 23=11sinf(a)\displaystyle \frac23=\frac1{1-\sin f(a)}이므로 sinf(a)=12\displaystyle \sin f(a)=-\frac12이고 cosf(a)=32\displaystyle \cos f(a)=\frac{\sqrt3}{2}이다. 한편 π2<a<π+1\displaystyle \frac\pi2<a<\pi+1이고 f(a)=a32\displaystyle f(a)=a-\frac{\sqrt3}{2}이므로 π232<f(a)<π+132\displaystyle \frac\pi2-\frac{\sqrt3}{2}<f(a)<\pi+1-\frac{\sqrt3}{2}이다. 하지만 이 범위에서 sinf(a)=12\displaystyle \sin f(a)=-\frac12cosf(a)>0\displaystyle \cos f(a)>0을 모두 만족시키는 f(a)\displaystyle f(a)는 존재하지 않는다.(3) cosf(a)<0\displaystyle \cos f(a)<0일 때, 23=11+sinf(a)\displaystyle \frac23=\frac1{1+\sin f(a)}이므로 sinf(a)=12\displaystyle \sin f(a)=\frac12이고 cosf(a)=32\displaystyle \cos f(a)=-\frac{\sqrt3}{2}이다.한편 π2<a<π+1\displaystyle \frac\pi2<a<\pi+1이고 f(a)=a32\displaystyle f(a)=a-\frac{\sqrt3}{2}이므로 π232<f(a)<π+132\displaystyle \frac\pi2-\frac{\sqrt3}{2}<f(a)<\pi+1-\frac{\sqrt3}{2}이다. 따라서f(a)=56π\displaystyle f(a)=\frac56\pi이고a=f(a)+cosf(a)=56π+32\displaystyle a=f(a)+|\cos f(a)|=\frac56\pi+\frac{\sqrt3}{2}

고등학교 교육과정에서 필수적으로 다루는 미적분의 기본 내용을 바탕으로, 미분과 적분을 제대로 이해하고 이를 다양한 상황에서 활용할 수 있는지를 평가한다. 특히, 삼각함수의 주기성을 활용하여 정적분을 구할 수 있는지, 극한을 이용해 함수의 미분가능성을 조사할 수 있는지, 도함수를 활용하여 함수의 증가 또는 감소를 판단할 수 있는지, 도함수를 활용해 방정식의 실근의 개수를 구할 수 있는지, 그리고 합성함수 미분법 및 삼각함수의 미분을 활용하여 함수의 미분계수가 특정 값이 되는 점을 구할 수 있는지를 중점적으로 평가한다. 제시문에는 문제 해결에 필요한 관련 교과서 내용을 포함하였으며, 제시문과 이전에 해결한 문항을 활용하여 주어진 문제를 해결할 수 있도록 구성하였다. 구체적인 채점 기준은 다음과 같다.

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