수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 2번

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문제

다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (25점)

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 실수 a\displaystyle a에 대하여 다음 세 조건을 모두 만족시킬 때, f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 연속이라고 한다.① 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 정의되어 있다.② 극한값 lim⁡x→af(x)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)가 존재한다.③ lim⁡x→af(x)=f(a)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=f(a)[출처 : 수학II 「함수의 연속」]

삼차함수 f(x)\displaystyle f(x)와 이차함수 g(x)\displaystyle g(x)는 다음 조건을 모두 만족시킨다.

(i) f(x)\displaystyle f(x)의 최고차항의 계수는 1이다.(ii) 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 교점은 두 개이며, 두 교점의 x\displaystyle x좌표 중 더 큰 값은 2이다.(iii) 함수 h(x)={1x−2(ef(x)eg(x)−1)(x≠2)16(x=2)\displaystyle h(x)=\begin{cases}\frac1{x-2}\left(\frac{e^{f(x)}}{e^{g(x)}}-1\right)&(x\ne2)\\16&(x=2)\end{cases}는 연속함수이다.

이때 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오.

해설강의 준비중
+25점 · 주어진 조건으로부터 두 함수의 차를 나타내는 삼차함수의 모양을 찾고 정적분의 값을 계산할 수 있다.

p(x)=f(x)−g(x)\displaystyle p(x)=f(x)-g(x)라고 하면 함수 p(x)\displaystyle p(x)는 최고차항의 계수가 1인 삼차함수이다. 방정식 p(x)=0\displaystyle p(x)=0의 두 해 중 작은 값을 a\displaystyle a라고 하면p(x)=(x−a)(x−2)2\displaystyle p(x)=(x-a)(x-2)^2 또는 p(x)=(x−a)2(x−2)\displaystyle p(x)=(x-a)^2(x-2)p(2)=0\displaystyle p(2)=0임을 이용하면lim⁡x→2h(x)=lim⁡x→21x−2(ef(x)eg(x)−1)=lim⁡x→2ef(x)−g(x)−1x−2=lim⁡x→2ep(x)−1x−2=lim⁡x→2ep(x)−ep(2)x−2\displaystyle \begin{aligned}\lim_{x\to2}h(x)&=\lim_{x\to2}\frac1{x-2}\left(\frac{e^{f(x)}}{e^{g(x)}}-1\right)=\lim_{x\to2}\frac{e^{f(x)-g(x)}-1}{x-2}\\&=\lim_{x\to2}\frac{e^{p(x)}-1}{x-2}=\lim_{x\to2}\frac{e^{p(x)}-e^{p(2)}}{x-2}\end{aligned}위의 극한값은 ep(x)\displaystyle e^{p(x)}의 x=2\displaystyle x=2에서의 미분계수이므로 lim⁡x→2h(x)=p′(2)ep(2)=p′(2)\displaystyle \lim_{x\to2}h(x)=p^{\prime}(2)e^{p(2)}=p^{\prime}(2)이다. 함수 h(x)\displaystyle h(x)가 x=2\displaystyle x=2에서 연속이므로 lim⁡x→2h(x)=p′(2)=16\displaystyle \lim_{x\to2}h(x)=p^{\prime}(2)=16이다.만약 p(x)=(x−a)(x−2)2\displaystyle p(x)=(x-a)(x-2)^2이면p′(x)=(x−2)2+2(x−a)(x−2),p′(2)=0≠16\displaystyle p^{\prime}(x)=(x-2)^2+2(x-a)(x-2),\quad p^{\prime}(2)=0\ne16이므로 p(x)=(x−a)2(x−2)\displaystyle p(x)=(x-a)^2(x-2)가 되어야 한다. 이때p′(x)=2(x−a)(x−2)+(x−a)2,p′(2)=(2−a)2=16\displaystyle p^{\prime}(x)=2(x-a)(x-2)+(x-a)^2,\quad p^{\prime}(2)=(2-a)^2=16이므로 a=−2\displaystyle a=-2 또는 a=6\displaystyle a=6이어야 한다. 그런데 a<2\displaystyle a<2이므로p(x)=(x+2)2(x−2)\displaystyle p(x)=(x+2)^2(x-2)이다.구간 [−2,2]\displaystyle [-2,2]에서 p(x)≤0\displaystyle p(x)\le0이므로 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x)로 둘러싸인 도형의 넓이는∫−22∣f(x)−g(x)∣ dx=∫−22[−p(x)] dx=−∫−22(x+2)2(x−2) dx=−∫−22(x3+2x2−4x−8) dx=−[x44+2x33−2x2−8x]−22=−(4+163−8−16)+(4−163−8+16)=643\displaystyle \begin{aligned}\int_{-2}^2|f(x)-g(x)|\,dx&=\int_{-2}^2[-p(x)]\,dx=-\int_{-2}^2(x+2)^2(x-2)\,dx\\&=-\int_{-2}^2(x^3+2x^2-4x-8)\,dx\\&=-\Biggl[\frac{x^4}4+\frac{2x^3}3-2x^2-8x\Biggr]_{-2}^2\\&=-\left(4+\frac{16}3-8-16\right)+\left(4-\frac{16}3-8+16\right)\\&=\frac{64}3\end{aligned}이다.

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