· 문항 【2-2】는 제시문 [다]를 바탕으로 미분계수의 정의로부터 구간에서의 함수의 미분가능성을 조사하고 제시문 [나]를 이용하여 함수 g(x)가 증가함수임을 보일 수 있는지 평가한다.
【2-2】 g(x)=x+∣cosx∣={x+cosxx−cosx(0≤x≤2π)(2π<x≤π)이므로 함수 g(x)는 구간 (0,2π)와 (2π,π)에서 미분가능하다. x=2π에서의 미분가능성을 조사하면h→0−limhg(2π+h)−g(2π)=h→0−limhh−sinh=0,h→0+limhg(2π+h)−g(2π)=h→0+limhh+sinh=2이므로 제시문 [다]에 의해 x=2π에서 미분가능하지 않다.함수 g(x)는 닫힌구간 [0,2π]에서 연속이고 열린구간 (0,2π)에서 g′(x)=1−sinx>0이므로 제시문 [나]에 의해 닫힌구간 [0,2π]에서 증가한다. 또한, g(x)는 닫힌구간 [2π,π]에서 연속이고 열린구간 (2π,π)에서 g′(x)=1+sinx>0이므로, 닫힌구간 [2π,π]에서 증가한다. 따라서 g(x)는 닫힌구간 [0,π]에서 증가한다.
· 문항 【2-3】은 도함수를 활용하여 주어진 구간에서 방정식이 오직 하나의 실근을 갖도록 하는 양의 실수 k의 범위를 구할 수 있는지 평가한다.
【2-3】 h(x)=g(x)−kx+2π(k−1)이라고 하자. h(2π)=g(2π)−2π=0이므로 x=2π는 방정식 h(x)=0의 근이다. 따라서 구간 [0,2π)와 (2π,π]에서 방정식 h(x)=0의 근이 존재하지 않는 양의 실수 k의 범위를 구하면 된다.(1) 구간 [0,2π)의 경우: 0<x<2π이면 h′(x)=1−sinx−k이다.(1-1) k≥1일 때, 구간 (0,2π)에서 h′(x)<0이므로 함수 h(x)는 구간 [0,2π]에서 감소한다. 따라서 0≤x<2π일 때, h(x)>h(2π)=0이므로 방정식 h(x)=0은 구간 [0,2π)에서 근을 갖지 않는다. (1-2) 0<k<1일 때, h′(α)=1−sinα−k=0이 되는 α가 구간 (0,2π)에 존재하고 구간 [0,2π]에서 함수 h(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.xh′(x)h(x)01+2π(k−1)⋯+↗α0h(α)⋯−↘2π00<k≤1−π2이면 h(0)≤0이므로 방정식 h(x)=0이 구간 [0,2π)에서 근을 갖는다.1−π2<k<1이면 h(0)>0이므로 방정식 h(x)=0이 구간 [0,2π)에서 근을 갖지 않는다.따라서 (1-1)과 (1-2)에 의해 k>1−π2일 때, 방정식 h(x)=0은 구간 [0,2π)에서 근을 갖지 않는다.(2) 구간 (2π,π]의 경우: 2π<x<π에서 h′(x)=1+sinx−k이다.(2-1) 0<k≤1일 때, 함수 h(x)는 구간 [2π,π]에서 증가하므로 방정식 h(x)=0은 구간 (2π,π]에서 근을 갖지 않는다.(2-2) k≥2일 때, 함수 h(x)는 구간 [2π,π]에서 감소하므로 방정식 h(x)=0은 구간 (2π,π]에서 근을 갖지 않는다.(2-3) 1<k<2일 때, h′(β)=1+sinβ−k=0이 되는 β가 구간 (2π,π)에 존재하고 구간 [2π,π]에서 함수 h(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.xh′(x)h(x)2π0⋯+↗β0h(β)⋯−↘π1+2π(1−k)1+π2≤k<2이면 h(π)≤0이므로 방정식 h(x)=0은 구간 (2π,π]에서 근을 갖는다.1<k<1+π2이면 h(π)>0이므로 방정식 h(x)=0은 구간 (2π,π]에서 근을 갖지 않는다.따라서 (2-1), (2-2), (2-3)에 의해 0<k<1+π2 또는 k≥2일 때, 방정식 h(x)=0은 구간 (2π,π]에서 근을 갖지 않는다.경우 (1)과 (2)에 의해 방정식 h(x)=0이 구간 [0,π]에서 오직 한 개의 근을 갖는 양의 실수 k의 값의 범위는1−π2<k<1+π2 또는 k≥2
· 문항 【2-4】는 조건을 만족하는 함수 f(x)에 대하여 합성함수의 미분법을 활용하여 미분계수 f′(a)가 32가 되는 실수 a의 값을 구할 수 있는지 평가하는 문항이다. 특히, 함수 f(x)를 직접 구하지 않고 합성함수 미분법을 이용하여 함수 f(x)의 도함수 f′(x)를 구하고 f′(a)=32의 값을 갖는 a의 값을 주어진 범위에서 찾을 수 있는지 평가한다.
【2-4】 g(x)=x이므로 x=f(x)+∣cosf(x)∣이다. {x−f(x)}2+sin2f(x)=1의 양변을 x로 미분하면2{x−f(x)}{1−f′(x)}+2f′(x)sinf(x)cosf(x)=0x−f(x)=∣cosf(x)∣이므로∣cosf(x)∣{1−f′(x)}+f′(x)sinf(x)cosf(x)=0따라서 x=a와 f′(a)=32를 대입하면∣cosf(a)∣+2sinf(a)cosf(a)=0이고 만약 cosf(x)가 0이 아니면f′(x)=∣cosf(x)∣−sinf(x)cosf(x)∣cosf(x)∣(1) cosf(a)=0이면 f(a)=a−∣cosf(a)∣=a이므로 cosa=0이 된다. 하지만 2π<a<π+1에서 cosa=0이 되는 a는 존재하지 않는다.(2) cosf(a)>0이면 32=1−sinf(a)1이므로 sinf(a)=−21이고 cosf(a)=23이다. 한편 2π<a<π+1이고 f(a)=a−23이므로 2π−23<f(a)<π+1−23이다. 하지만 이 범위에서 sinf(a)=−21과 cosf(a)>0을 모두 만족시키는 f(a)는 존재하지 않는다.(3) cosf(a)<0일 때, 32=1+sinf(a)1이므로 sinf(a)=21이고 cosf(a)=−23이다.한편 2π<a<π+1이고 f(a)=a−23이므로 2π−23<f(a)<π+1−23이다. 따라서f(a)=65π이고a=f(a)+∣cosf(a)∣=65π+23
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.