수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

【1-1】 두 곡선 y=xx\displaystyle y=x-\sqrt{x}, y=sin(π2x+π2)\displaystyle y=\sin\left(\frac{\pi}{2}x+\frac{\pi}{2}\right) 및 두 직선 x=0\displaystyle x=0, x=4\displaystyle x=4로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오.

【1-2】 두 정수 a\displaystyle a, b\displaystyle b에 대하여, 곡선 y=xx (1x100)\displaystyle y=x-\sqrt{x}\ (1\le x\le100)과 두 직선 y=0\displaystyle y=0, x=100\displaystyle x=100으로 둘러싸인 도형에 포함되는 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)의 개수를 구하시오. (단, 도형은 둘레를 포함한다.)

【1-3】 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 사차함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 만족한다.

(가) 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)x=3\displaystyle x=-3x=0\displaystyle x=0에서 변곡점을 갖는다.

(나) 함수 g(x)=f(x)\displaystyle g(x)=|f(x)|x=m\displaystyle x=m에서만 미분가능하지 않다. (단, m\displaystyle m0\displaystyle 0보다 큰 상수)

상수 m\displaystyle m의 값을 구하시오.

【1-4】 문항 【1-3】에서 구한 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 직선 y=kx+f(0)\displaystyle y=kx+f(0)의 교점의 개수를 실수 k\displaystyle k의 값에 따라 조사하시오.

[가] 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x) 및 두 직선 x=a\displaystyle x=a, x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는 다음과 같다.S=abf(x)g(x)dx\displaystyle S=\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx

[나] 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 P(a,f(a))\displaystyle \mathrm{P}(a,f(a))에 대하여 x=a\displaystyle x=a의 좌우에서 곡선의 모양이 아래로 볼록에서 위로 볼록으로 변하거나 위로 볼록에서 아래로 볼록으로 변할 때, 점 P\displaystyle \mathrm{P}를 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 변곡점이라고 한다.

해설강의 준비중
· 도함수를 활용하여 함수의 그래프의 개형을 그릴 수 있다.

【1-1】 f(x)=xx\displaystyle f(x)=x-\sqrt{x}라고 하면 f(0)=f(1)=0\displaystyle f(0)=f(1)=0이다.f(x)=112x=2x12x\displaystyle f^{\prime}(x)=1-\frac{1}{2\sqrt{x}}=\frac{2\sqrt{x}-1}{2\sqrt{x}}이므로 방정식 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 해는 x=14\displaystyle x=\frac14이다.함수 f(x)\displaystyle f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내고 그래프로 그리면 다음과 같다.x014f(x)0+f(x)014\displaystyle \begin{array}{c|cccc}x&0&\cdots&\frac14&\cdots\\\hline f^{\prime}(x)&&-&0&+\\\hline f(x)&0&\searrow&-\frac14&\nearrow\end{array}

대학 예시답안의 함수 그래프
· 삼각함수의 그래프를 그릴 수 있다.

g(x)=sin(π2x+π2)=cos(π2x)\displaystyle g(x)=\sin\left(\frac\pi2 x+\frac\pi2\right)=\cos\left(\frac\pi2 x\right)라고 하면g(x)\displaystyle g(x)의 주기는 4\displaystyle 4이고, 치역은 {y1y1}\displaystyle \{y\mid-1\le y\le1\}이다.

대학 예시답안의 함수 그래프
· 정적분을 활용하여 곡선으로 둘러싸인 도형의 넓이를 구할 수 있다.

제시문 [가]에 의하여, 구하는 넓이는 04f(x)g(x)dx\displaystyle \int_0^4|f(x)-g(x)|\,dx이다.위의 그래프로부터, 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서는 f(x)g(x)\displaystyle f(x)\le g(x)이고, 닫힌구간 [1,3]\displaystyle [1,3]에서는 f(x)g(x)\displaystyle f(x)\ge g(x)임을 알 수 있다. 또한, 닫힌구간 [3,4]\displaystyle [3,4]에서는 f(x)\displaystyle f(x)가 증가하므로 f(x)f(3)=33>1g(x)\displaystyle f(x)\ge f(3)=3-\sqrt3>1\ge g(x)이다.

대학 예시답안의 함수 그래프

따라서 구하는 넓이 S\displaystyle SS=01{g(x)f(x)}dx+14{f(x)g(x)}dx=01{cos(π2x)x+x}dx+14{xxcos(π2x)}dx=[2πsin(π2x)12x2+23x32]01+[12x223x322πsin(π2x)]14=4π+3\displaystyle \begin{aligned}S&=\int_0^1\{g(x)-f(x)\}\,dx+\int_1^4\{f(x)-g(x)\}\,dx\\&=\int_0^1\left\{\cos\left(\frac\pi2 x\right)-x+\sqrt{x}\right\}\,dx+\int_1^4\left\{x-\sqrt{x}-\cos\left(\frac\pi2 x\right)\right\}\,dx\\&=\Biggl[\frac2\pi\sin\left(\frac\pi2 x\right)-\frac12 x^2+\frac23 x^{\frac32}\Biggr]_0^1+\Biggl[\frac12 x^2-\frac23 x^{\frac32}-\frac2\pi\sin\left(\frac\pi2 x\right)\Biggr]_1^4\\&=\frac4\pi+3\end{aligned}

· 주어진 조건을 만족하는 순서쌍의 개수를 \displaystyle \sum를 이용하여 나타낼 수 있다.

【1-2】 구하는 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)의 개수는 100\displaystyle 100이하의 자연수 a\displaystyle a에 대하여 0baa\displaystyle 0\le b\le a-\sqrt a를 만족하는 정수 b\displaystyle b의 개수를 모두 구해서 더한 것과 같다.(a) a=1\displaystyle a=1인 경우: b=0\displaystyle b=0만 가능하므로 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)의 개수는 1\displaystyle 1개다.(b) n=1,2,,9\displaystyle n=1,2,\cdots,9에 대하여, a\displaystyle an2<a(n+1)2\displaystyle n^2<a\le(n+1)^2인 정수인 경우:n<an+1\displaystyle n<\sqrt a\le n+1이므로 an1aa<an\displaystyle a-n-1\le a-\sqrt a<a-n이다. 따라서 b=0,1,,an1\displaystyle b=0,1,\cdots,a-n-1이므로 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)의 개수는 (an)\displaystyle (a-n)개이다.

대학 예시답안의 함수 그래프
· 자연수의 거듭제곱의 합 k=1nk\displaystyle \sum_{k=1}^n k, k=1nk2\displaystyle \sum_{k=1}^n k^2을 계산할 수 있다.

그러므로 구하는 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)의 개수는1+k=12+122(k1)+k=22+132(k2)++k=92+1102(k9)=k=1100k{(2212)+2×(3222)++9×(10292)}=100×1012n=19n{(n+1)2n2}=5050n=19(2n2+n)=50502×9×10×1969×102=4435\displaystyle \begin{aligned}&1+\sum_{k=1^2+1}^{2^2}(k-1)+\sum_{k=2^2+1}^{3^2}(k-2)+\cdots+\sum_{k=9^2+1}^{10^2}(k-9)\\&=\sum_{k=1}^{100}k-\{(2^2-1^2)+2\times(3^2-2^2)+\cdots+9\times(10^2-9^2)\}\\&=\frac{100\times101}{2}-\sum_{n=1}^9 n\{(n+1)^2-n^2\}\\&=5050-\sum_{n=1}^9(2n^2+n)\\&=5050-2\times\frac{9\times10\times19}{6}-\frac{9\times10}{2}\\&=4435\end{aligned}

· 이계도함수와 변곡점의 관계를 이해한다.

【1-3】 f(x)=x4+ax3+bx2+cx+d\displaystyle f(x)=x^4+ax^3+bx^2+cx+d라고 하면,f(x)=4x3+3ax2+2bx+cf(x)=12x2+6ax+2b\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=4x^3+3ax^2+2bx+c\\f^{\prime\prime}(x)&=12x^2+6ax+2b\end{aligned}조건 (가)에 의해 f(x)=12x(x+3)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=12x(x+3)이므로 a=6\displaystyle a=6, b=0\displaystyle b=0이므로 f(x)=x4+6x3+cx+d\displaystyle f(x)=x^4+6x^3+cx+d이다.한편, g(x0)=0\displaystyle g(x_0)=0일 때 함수 g(x)\displaystyle g(x)x=x0\displaystyle x=x_0에서 미분가능할 필요충분조건은 f(x0)=0\displaystyle f^{\prime}(x_0)=0이다.따라서 조건 (나)는 다음 조건 ㉠과 필요충분조건이다.

f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m은 오직 하나 존재하고, 이때 m>0\displaystyle m>0이다. ⋯⋯ ㉠

· 도함수를 활용하여 주어진 조건을 만족하는 사차함수의 그래프 개형을 찾을 수 있다.

이제 방정식 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0, 즉 4x318x2=c\displaystyle -4x^3-18x^2=c의 서로 다른 실근의 개수에 따라 경우를 나누어서 생각하자. h(x)=4x318x2\displaystyle h(x)=-4x^3-18x^2이라고 하면h(x)=12x236x=12x(x+3)\displaystyle h^{\prime}(x)=-12x^2-36x=-12x(x+3)이므로 방정식 h(x)=0\displaystyle h^{\prime}(x)=0의 해는 x=0\displaystyle x=0, x=3\displaystyle x=-3이다. 함수 h(x)\displaystyle h(x)의 증가와 감소를 표로 나타내고 그래프로 그리면 다음과 같다.x30h(x)0+0h(x)540\displaystyle \begin{array}{c|ccccc}x&\cdots&-3&\cdots&0&\cdots\\\hline h^{\prime}(x)&-&0&+&0&-\\\hline h(x)&\searrow&-54&\nearrow&0&\searrow\end{array}

대학 예시답안의 함수 그래프

(a) 54<c<0\displaystyle -54<c<0인 경우: 방정식 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0은 서로 다른 세 실근 α<β<γ\displaystyle \alpha<\beta<\gamma를 가지므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=α\displaystyle x=\alpha, x=γ\displaystyle x=\gamma에서 극소이고 x=β\displaystyle x=\beta에서 극대이다. f(α)\displaystyle f(\alpha)f(γ)\displaystyle f(\gamma)의 최솟값을 p\displaystyle p, f(α)\displaystyle f(\alpha)f(γ)\displaystyle f(\gamma)의 최댓값을 q\displaystyle q라고 하면, 다음 4\displaystyle 4가지 경우가 가능하다.p0\displaystyle p\ge0: f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 0\displaystyle 0p<0q\displaystyle p<0\le q: f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 2\displaystyle 2q<0<f(β)\displaystyle q<0<f(\beta): f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 4\displaystyle 4f(β)0\displaystyle f(\beta)\le0: f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 2\displaystyle 2어느 경우에도 조건 ㉠을 만족하지 않는다.

대학 예시답안의 함수 그래프

(b) c=54\displaystyle c=-54인 경우: f(x)=4x3+18x254=2(x+3)2(2x3)\displaystyle f^{\prime}(x)=4x^3+18x^2-54=2(x+3)^2(2x-3)이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=32\displaystyle x=\frac32에서 극소를 갖는다.f(32)0\displaystyle f\left(\frac32\right)\ge0: f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 0\displaystyle 0f(32)<0<f(3)\displaystyle f\left(\frac32\right)<0<f(-3): f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 2\displaystyle 2f(3)=0\displaystyle f(-3)=0: f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 1\displaystyle 1개이고, 이때 m>0\displaystyle m>0이다.f(3)<0\displaystyle f(-3)<0: f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 2\displaystyle 2③의 경우에만 조건 ㉠을 만족한다.

대학 예시답안의 함수 그래프

(c) c=0\displaystyle c=0인 경우: f(x)=4x3+18x2=2x2(2x+9)\displaystyle f^{\prime}(x)=4x^3+18x^2=2x^2(2x+9)이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=92\displaystyle x=-\frac92에서 극소를 갖는다.f(92)0\displaystyle f\left(-\frac92\right)\ge0: f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 0\displaystyle 0f(92)<0<f(0)\displaystyle f\left(-\frac92\right)<0<f(0): f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 2\displaystyle 2f(0)=0\displaystyle f(0)=0: f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 1\displaystyle 1개이고, 이때 m<0\displaystyle m<0이다.f(0)<0\displaystyle f(0)<0: f(m)=0\displaystyle f(m)=0, f(m)0\displaystyle f^{\prime}(m)\ne0을 만족하는 실수 m\displaystyle m의 개수는 2\displaystyle 2어느 경우에도 조건 ㉠을 만족하지 않는다.

대학 예시답안의 함수 그래프

(d) c<54\displaystyle c<-54 또는 c>0\displaystyle c>0인 경우: 방정식 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0이 오직 하나의 실근 α\displaystyle \alpha를 갖는다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=α\displaystyle x=\alpha에서 극소이므로, 이 경우는 조건 ㉠을 만족하지 않는다.

대학 예시답안의 함수 그래프
· 해당 조건을 만족하는 사차함수와 상수 m\displaystyle m을 구할 수 있다.

따라서 (b)의 ③인 경우에만 조건 ㉠을 만족하며, 이 경우 f(3)=0\displaystyle f(-3)=0이므로 d=81\displaystyle d=-81이다.그러므로 f(x)=x4+6x354x81=(x+3)3(x3)\displaystyle f(x)=x^4+6x^3-54x-81=(x+3)^3(x-3)이고 m=3\displaystyle m=3이다.

· 도함수를 활용하여 함수의 그래프의 개형을 그릴 수 있다.

【1-4】 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 직선 y=kx+f(0)\displaystyle y=kx+f(0)의 교점의 개수는 방정식x4+6x354x=kx\displaystyle x^4+6x^3-54x=kx의 서로 다른 실근의 개수와 같다. 이 방정식은 x=0\displaystyle x=0을 실근으로 갖는다. 이제 0\displaystyle 0이 아닌 실근을 찾기 위해 방정식x3+6x254=k\displaystyle x^3+6x^2-54=k0\displaystyle 0이 아닌 서로 다른 실근의 개수를 조사하자. g(x)=x3+6x254\displaystyle g(x)=x^3+6x^2-54이라고 하면g(x)=3x2+12x=3x(x+4)\displaystyle g^{\prime}(x)=3x^2+12x=3x(x+4)이므로 방정식 g(x)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=0의 해는 x=0\displaystyle x=0, x=4\displaystyle x=-4이다. 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 증가와 감소를 표로 나타내고 그래프로 그리면 다음과 같다.x40g(x)+00+g(x)2254\displaystyle \begin{array}{c|ccccc}x&\cdots&-4&\cdots&0&\cdots\\\hline g^{\prime}(x)&+&0&-&0&+\\\hline g(x)&\nearrow&-22&\searrow&-54&\nearrow\end{array}

대학 예시답안의 함수 그래프
· 이를 활용하여 방정식의 서로 다른 실근의 개수를 구할 수 있다.

그러므로 0\displaystyle 0이 아닌 서로 다른 실근의 개수는 k54\displaystyle k\le-54이거나 k>22\displaystyle k>-22이면 1\displaystyle 1개, 54<k<22\displaystyle -54<k<-22이면 3\displaystyle 3개, k=22\displaystyle k=-22이면 2\displaystyle 2개이다.따라서 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 직선 y=kx+f(0)\displaystyle y=kx+f(0)의 교점의 개수는(ⅰ) k54\displaystyle k\le-54이거나 k>22\displaystyle k>-22이면 2\displaystyle 2(ⅱ) 54<k<22\displaystyle -54<k<-22이면 4\displaystyle 4(ⅲ) k=22\displaystyle k=-22이면 3\displaystyle 3

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