서강대 2027학년도 모의 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/sogang/2027mo/jayeon_1
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문제
【1-1】 두 곡선 y=x−x, y=sin(2πx+2π) 및 두 직선 x=0, x=4로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오.
【1-2】 두 정수 a, b에 대하여, 곡선 y=x−x(1≤x≤100)과 두 직선 y=0, x=100으로 둘러싸인 도형에 포함되는 순서쌍 (a,b)의 개수를 구하시오. (단, 도형은 둘레를 포함한다.)
【1-3】 최고차항의 계수가 1인 사차함수 f(x)가 다음 조건을 만족한다.
(가)곡선 y=f(x)는 x=−3과 x=0에서 변곡점을 갖는다.
(나)함수 g(x)=∣f(x)∣는 x=m에서만 미분가능하지 않다. (단, m은 0보다 큰 상수)
상수 m의 값을 구하시오.
【1-4】 문항 【1-3】에서 구한 함수 f(x)에 대하여 곡선 y=f(x)와 직선 y=kx+f(0)의 교점의 개수를 실수 k의 값에 따라 조사하시오.
[가]두 함수 f(x), g(x)가 닫힌구간 [a,b]에서 연속일 때, 두 곡선 y=f(x), y=g(x) 및 두 직선 x=a, x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S는 다음과 같다.S=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx
[나]곡선 y=f(x) 위의 점 P(a,f(a))에 대하여 x=a의 좌우에서 곡선의 모양이 아래로 볼록에서 위로 볼록으로 변하거나 위로 볼록에서 아래로 볼록으로 변할 때, 점 P를 곡선 y=f(x)의 변곡점이라고 한다.
해설강의 준비중
서강대 2027학년도 모의 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/sogang/2027mo/jayeon_1
· 도함수를 활용하여 함수의 그래프의 개형을 그릴 수 있다.
【1-1】 f(x)=x−x라고 하면 f(0)=f(1)=0이다.f′(x)=1−2x1=2x2x−1이므로 방정식 f′(x)=0의 해는 x=41이다.함수 f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내고 그래프로 그리면 다음과 같다.xf′(x)f(x)00⋯−↘410−41⋯+↗
· 삼각함수의 그래프를 그릴 수 있다.
g(x)=sin(2πx+2π)=cos(2πx)라고 하면g(x)의 주기는 4이고, 치역은 {y∣−1≤y≤1}이다.
· 정적분을 활용하여 곡선으로 둘러싸인 도형의 넓이를 구할 수 있다.
제시문 [가]에 의하여, 구하는 넓이는 ∫04∣f(x)−g(x)∣dx이다.위의 그래프로부터, 닫힌구간 [0,1]에서는 f(x)≤g(x)이고, 닫힌구간 [1,3]에서는 f(x)≥g(x)임을 알 수 있다. 또한, 닫힌구간 [3,4]에서는 f(x)가 증가하므로 f(x)≥f(3)=3−3>1≥g(x)이다.
따라서 구하는 넓이 S는S=∫01{g(x)−f(x)}dx+∫14{f(x)−g(x)}dx=∫01{cos(2πx)−x+x}dx+∫14{x−x−cos(2πx)}dx=[π2sin(2πx)−21x2+32x23]01+[21x2−32x23−π2sin(2πx)]14=π4+3
· 주어진 조건을 만족하는 순서쌍의 개수를 ∑를 이용하여 나타낼 수 있다.
【1-2】 구하는 순서쌍 (a,b)의 개수는 100이하의 자연수 a에 대하여 0≤b≤a−a를 만족하는 정수 b의 개수를 모두 구해서 더한 것과 같다.(a) a=1인 경우: b=0만 가능하므로 순서쌍 (a,b)의 개수는 1개다.(b) n=1,2,⋯,9에 대하여, a가 n2<a≤(n+1)2인 정수인 경우:n<a≤n+1이므로 a−n−1≤a−a<a−n이다. 따라서 b=0,1,⋯,a−n−1이므로 순서쌍 (a,b)의 개수는 (a−n)개이다.
· 자연수의 거듭제곱의 합 k=1∑nk, k=1∑nk2을 계산할 수 있다.
그러므로 구하는 순서쌍 (a,b)의 개수는1+k=12+1∑22(k−1)+k=22+1∑32(k−2)+⋯+k=92+1∑102(k−9)=k=1∑100k−{(22−12)+2×(32−22)+⋯+9×(102−92)}=2100×101−n=1∑9n{(n+1)2−n2}=5050−n=1∑9(2n2+n)=5050−2×69×10×19−29×10=4435
· 이계도함수와 변곡점의 관계를 이해한다.
【1-3】 f(x)=x4+ax3+bx2+cx+d라고 하면,f′(x)f′′(x)=4x3+3ax2+2bx+c=12x2+6ax+2b조건 (가)에 의해 f′′(x)=12x(x+3)이므로 a=6, b=0이므로 f(x)=x4+6x3+cx+d이다.한편, g(x0)=0일 때 함수 g(x)가 x=x0에서 미분가능할 필요충분조건은 f′(x0)=0이다.따라서 조건 (나)는 다음 조건 ㉠과 필요충분조건이다.
f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m은 오직 하나 존재하고, 이때 m>0이다. ⋯⋯ ㉠
· 도함수를 활용하여 주어진 조건을 만족하는 사차함수의 그래프 개형을 찾을 수 있다.
이제 방정식 f′(x)=0, 즉 −4x3−18x2=c의 서로 다른 실근의 개수에 따라 경우를 나누어서 생각하자. h(x)=−4x3−18x2이라고 하면h′(x)=−12x2−36x=−12x(x+3)이므로 방정식 h′(x)=0의 해는 x=0, x=−3이다. 함수 h(x)의 증가와 감소를 표로 나타내고 그래프로 그리면 다음과 같다.xh′(x)h(x)⋯−↘−30−54⋯+↗000⋯−↘
(a) −54<c<0인 경우: 방정식 f′(x)=0은 서로 다른 세 실근 α<β<γ를 가지므로 함수 f(x)는 x=α, x=γ에서 극소이고 x=β에서 극대이다. f(α)와 f(γ)의 최솟값을 p, f(α)와 f(γ)의 최댓값을 q라고 하면, 다음 4가지 경우가 가능하다.① p≥0: f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 0개② p<0≤q: f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 2개③ q<0<f(β): f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 4개④ f(β)≤0: f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 2개어느 경우에도 조건 ㉠을 만족하지 않는다.
(b) c=−54인 경우: f′(x)=4x3+18x2−54=2(x+3)2(2x−3)이므로 함수 f(x)는 x=23에서 극소를 갖는다.① f(23)≥0: f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 0개② f(23)<0<f(−3): f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 2개③ f(−3)=0: f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 1개이고, 이때 m>0이다.④ f(−3)<0: f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 2개③의 경우에만 조건 ㉠을 만족한다.
(c) c=0인 경우: f′(x)=4x3+18x2=2x2(2x+9)이므로 함수 f(x)는 x=−29에서 극소를 갖는다.① f(−29)≥0: f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 0개② f(−29)<0<f(0): f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 2개③ f(0)=0: f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 1개이고, 이때 m<0이다.④ f(0)<0: f(m)=0, f′(m)=0을 만족하는 실수 m의 개수는 2개어느 경우에도 조건 ㉠을 만족하지 않는다.
(d) c<−54 또는 c>0인 경우: 방정식 f′(x)=0이 오직 하나의 실근 α를 갖는다. 함수 f(x)는 x=α에서 극소이므로, 이 경우는 조건 ㉠을 만족하지 않는다.
· 해당 조건을 만족하는 사차함수와 상수 m을 구할 수 있다.
따라서 (b)의 ③인 경우에만 조건 ㉠을 만족하며, 이 경우 f(−3)=0이므로 d=−81이다.그러므로 f(x)=x4+6x3−54x−81=(x+3)3(x−3)이고 m=3이다.
· 도함수를 활용하여 함수의 그래프의 개형을 그릴 수 있다.
【1-4】 곡선 y=f(x)와 직선 y=kx+f(0)의 교점의 개수는 방정식x4+6x3−54x=kx의 서로 다른 실근의 개수와 같다. 이 방정식은 x=0을 실근으로 갖는다. 이제 0이 아닌 실근을 찾기 위해 방정식x3+6x2−54=k의 0이 아닌 서로 다른 실근의 개수를 조사하자. g(x)=x3+6x2−54이라고 하면g′(x)=3x2+12x=3x(x+4)이므로 방정식 g′(x)=0의 해는 x=0, x=−4이다. 함수 g(x)의 증가와 감소를 표로 나타내고 그래프로 그리면 다음과 같다.xg′(x)g(x)⋯+↗−40−22⋯−↘00−54⋯+↗
· 이를 활용하여 방정식의 서로 다른 실근의 개수를 구할 수 있다.
그러므로 0이 아닌 서로 다른 실근의 개수는 k≤−54이거나 k>−22이면 1개, −54<k<−22이면 3개, k=−22이면 2개이다.따라서 곡선 y=f(x)와 직선 y=kx+f(0)의 교점의 개수는(ⅰ) k≤−54이거나 k>−22이면 2개(ⅱ) −54<k<−22이면 4개(ⅲ) k=−22이면 3개