수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+15점 · 방정식의 실수해의 개수가 함수의 그래프와 x\displaystyle x축과의 교점의 개수로 주어진다는 것을 이용하여 삼각함수의 주기성으로부터 교점의 개수를 구할 수 있다.

(2-1) 함수 g(x)=cosbx\displaystyle g(x)=\cos bx는 주기가 2π/b\displaystyle 2\pi/b이다. 그러므로 방정식 g(x)=0\displaystyle g(x)=0[0,2π/b]\displaystyle [0,2\pi/b]에서 두 개의 해 2π/b14\displaystyle 2\pi/b\cdot\frac14, 2π/b34\displaystyle 2\pi/b\cdot\frac34를 갖고 [0,2nπ/b]\displaystyle [0,2n\pi/b]에서 2n\displaystyle 2n개의 해를 갖는다. 이 방정식의 2n1\displaystyle 2n-1, 2n\displaystyle 2n번째 해는 각각 2π/b(n1+14)\displaystyle 2\pi/b\cdot\left(n-1+\frac14\right), 2π/b(n1+34)\displaystyle 2\pi/b\cdot\left(n-1+\frac34\right)이다.

cos bx의 한 주기에서 두 영점 π/(2b), 3π/(2b)

x>1\displaystyle x>1일 때 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프는 직선이므로, c\displaystyle cd\displaystyle d가 모두 0\displaystyle 0이 아닐 때 x\displaystyle x축과 만나는 경우, 하나의 교점만 존재한다. 따라서 f(x)=0\displaystyle f(x)=0의 양의 실수해가 11개가 되기 위해서는 x>1\displaystyle x>1에서 1개의 해를 갖고, x1\displaystyle x\le1에서 10개의 해를 갖거나 x>1\displaystyle x>1에서는 해가 없고 x1\displaystyle x\le1에서 11개의 해를 가져야 한다.(a) x>1\displaystyle x>1에서 1개의 해를 갖는 경우:하나의 해가 (1,)\displaystyle (1,\infty)에 있다면, cosbx=0\displaystyle \cos bx=0의 10번째 해 2π/b(4+3/4)=19π/2b\displaystyle 2\pi/b(4+3/4)=19\pi/2b[0,1]\displaystyle [0,1]에 있고, 11번째 해 2π/b(5+1/4)=21π/2b\displaystyle 2\pi/b(5+1/4)=21\pi/2b(1,)\displaystyle (1,\infty)에 있어야 한다. 따라서, 19π2b<21π2\displaystyle \frac{19\pi}2\le b<\frac{21\pi}2가 성립한다.이때, f(x)=0\displaystyle f(x)=0x=1\displaystyle x=1에서 미분가능하므로, c=bsinb\displaystyle c=-b\sin b가 성립한다. 따라서 f(x)\displaystyle f(x)[1,)\displaystyle [1,\infty)에서 (1,cosb)\displaystyle (1,\cos b)를 지나고, 기울기가 bsinb\displaystyle -b\sin b인 직선이다. 아래의 표를 확인하면,

19π/2≤b<21π/2에서 cos b와 -b sin b의 부호

i) b=19π2\displaystyle b=\frac{19\pi}2이면 y=cx+d\displaystyle y=cx+d(1,0)\displaystyle (1,0)을 지나고 기울기가 0이 아닌 직선이므로, cosbx=0\displaystyle \cos bx=0의 10번째 해 (1,0)\displaystyle (1,0)에서 x\displaystyle x축과 만난 후 더 이상 x\displaystyle x축과 만나지 않는다.ii) 19π2<b10π\displaystyle \frac{19\pi}2<b\le10\pi이면 y=cx+d\displaystyle y=cx+d는 1사분면의 점을 지나고 기울기가 음수가 아닌 직선이므로, x\displaystyle x축과 [1,)\displaystyle [1,\infty)에서 만나지 않는다.iii) 10π<b<21π2\displaystyle 10\pi<b<\frac{21\pi}2이면 y=cx+d\displaystyle y=cx+d는 1사분면의 점을 지나고 기울기가 음수인 직선이므로, x\displaystyle x축과 [1,)\displaystyle [1,\infty)에서 만난다.따라서 하나의 해가 (1,)\displaystyle (1,\infty)에 있다면 10π<b<21π2\displaystyle 10\pi<b<\frac{21\pi}2이다.(b) 11개의 해가 모두 [0,1]\displaystyle [0,1]에 있다면, cosbx=0\displaystyle \cos bx=0의 11번째 해 2π/b(5+1/4)=21π/2b\displaystyle 2\pi/b(5+1/4)=21\pi/2b[0,1]\displaystyle [0,1]에 있어야 하고, 12번째 해 2π/b(5+3/4)=23π/2b\displaystyle 2\pi/b(5+3/4)=23\pi/2b(1,)\displaystyle (1,\infty)에 있어야 한다.따라서, 21π2b<23π\displaystyle 21\pi\le2b<23\pi가 성립한다.이때, f(x)=0\displaystyle f(x)=0x=1\displaystyle x=1에서 미분가능하므로, c=bsinb\displaystyle c=-b\sin b가 성립한다. 따라서 f(x)\displaystyle f(x)[1,)\displaystyle [1,\infty)에서 (1,cosb)\displaystyle (1,\cos b)를 지나고, 기울기가 bsinb\displaystyle -b\sin b인 직선이다. 아래의 표를 확인하면,

Correction. 미분가능한 대상은 함수 f(x)\displaystyle f(x)이다. 두 곳에 쓰인 ‘f(x)=0\displaystyle f(x)=0는’은 ‘f(x)\displaystyle f(x)는’의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

21π/2≤b<23π/2에서 cos b와 -b sin b의 부호
+15점 · 방정식의 실수해의 개수가 함수의 그래프와 x\displaystyle x축과의 교점의 개수로 주어진다는 것을 이용하여 삼각함수의 주기성으로부터 교점의 개수를 구할 수 있다.

i) b=21π2\displaystyle b=\frac{21\pi}2이면 y=cx+d\displaystyle y=cx+d(1,0)\displaystyle (1,0)을 지나고 기울기가 0이 아닌 직선이므로, cosbx=0\displaystyle \cos bx=0의 11번째 해 (1,0)\displaystyle (1,0)에서 x\displaystyle x축과 만난 후 더 이상 x\displaystyle x축과 만나지 않는다.ii) 21π2<b11π\displaystyle \frac{21\pi}2<b\le11\pi이면 y=cx+d\displaystyle y=cx+d는 4사분면의 점을 지나고 기울기가 양수가 아닌 직선이므로, x\displaystyle x축과 [1,)\displaystyle [1,\infty)에서 만나지 않는다.iii) 11π<b<23π2\displaystyle 11\pi<b<\frac{23\pi}2이면 y=cx+d\displaystyle y=cx+d는 4사분면의 점을 지나고 기울기가 양수인 직선이므로, x\displaystyle x축과 [1,)\displaystyle [1,\infty)에서 만난다.따라서, 21π2b11π\displaystyle \frac{21\pi}2\le b\le11\pi여야 한다.위의 두 결과를 종합하면, 10π<b11π\displaystyle 10\pi<b\le11\pi이다.

+10점 · 주어진 조건으로부터 함수의 그래프의 모양을 올바로 파악하여 일차함수의 y\displaystyle y절편의 최댓값을 구할 수 있다.

(2-2) f(x)\displaystyle f(x)x=1\displaystyle x=1에서 연속이므로, c+d=cosb\displaystyle c+d=\cos b이다.c=bsinb\displaystyle c=-b\sin b이므로, d=c+cosb=bsinb+cosb\displaystyle d=-c+\cos b=b\sin b+\cos b이다.10π<t11π\displaystyle 10\pi<t\le11\pi일 때 g(t)=tsint+cost\displaystyle g(t)=t\sin t+\cos t의 도함수는g(t)=sint+tcostsint=tcost\displaystyle g^{\prime}(t)=\sin t+t\cos t-\sin t=t\cos t 이다.

t=21π/2에서 g의 도함수가 양에서 음으로 바뀐다.

Correction. g(t)\displaystyle g(t)의 증감표에서 마지막 구간의 변수 b\displaystyle bt\displaystyle t의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+10점 · 주어진 조건으로부터 함수의 그래프의 모양을 올바로 파악하여 일차함수의 y\displaystyle y절편의 최댓값을 구할 수 있다.

따라서, t=21π2\displaystyle t=\frac{21\pi}2일 때 d\displaystyle d의 값이 최대이고, 그 최댓값은 21π2\displaystyle \frac{21\pi}2이다.

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