수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · 정의역에서 일대일대응이 되는 이차함수의 역함수와 절댓값으로 정의된 함수의 미분계수를 계산하고, 두 함수의 차로 정의되는 함수의 증가와 감소 정보를 정확히 묘사하였다.

(1) x>0\displaystyle x>0일 때 g(x)=2x+k>1\displaystyle g^{\prime}(x)=2x+k>1이 성립한다.함수 g(x)\displaystyle g(x)의 미분계수가 항상 양수이므로 x>1\displaystyle x>1에서 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 역함수 h(x)\displaystyle h(x)의 미분계수가 항상 존재한다. 이때 h(x)=1g(h(x))\displaystyle h^{\prime}(x)=\frac1{g^{\prime}(h(x))}이므로 0<h(x)<1\displaystyle 0<h^{\prime}(x)<1이다.함수 f(x)\displaystyle f(x)2nx2n+2\displaystyle 2n\le x\le2n+2일 때 다음과 같이 주어진다.f(x)={x2n(2nx<2n+1)x+2n+2(2n+1x2n+2)\displaystyle f(x)=\begin{cases}x-2n&(2n\le x<2n+1)\\-x+2n+2&(2n+1\le x\le2n+2)\end{cases}2n<x<2n+1\displaystyle 2n<x<2n+1 또는 2n+1<x<2n+2\displaystyle 2n+1<x<2n+2일 때 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 미분가능하므로 함수 u(x)\displaystyle u(x) 역시 2n<x<2n+1\displaystyle 2n<x<2n+1 또는 2n+1<x<2n+2\displaystyle 2n+1<x<2n+2일 때 미분가능하고, 이때 도함수 u(x)\displaystyle u^{\prime}(x)는 다음과 같다.u(x)={h(x)1(2n<x<2n+1)h(x)+1(2n+1<x<2n+2)\displaystyle u^{\prime}(x)=\begin{cases}h^{\prime}(x)-1&(2n<x<2n+1)\\h^{\prime}(x)+1&(2n+1<x<2n+2)\end{cases}h(x)1<0\displaystyle h^{\prime}(x)-1<0, h(x)+1>0\displaystyle h^{\prime}(x)+1>0이므로 u(x)\displaystyle u(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

u(x)는 2n과 2n+1 사이에서 감소하고 2n+1과 2n+2 사이에서 증가한다.
+15점 · 정의된 함수의 그래프의 x\displaystyle x절편의 개수를 각 구간에서 바르게 판단하고, 이로부터 k\displaystyle k의 정보를 올바르게 유도하였다.

(2) 1<x<2\displaystyle 1<x<2일 때 u(x)=h(x)+1>0\displaystyle u^{\prime}(x)=h^{\prime}(x)+1>0이므로 1x2\displaystyle 1\le x\le2에서 함수 u(x)\displaystyle u(x)는 증가한다. 또한 u(1)=1\displaystyle u(1)=-1, u(2)=h(2)>0\displaystyle u(2)=h(2)>0이므로 1x2\displaystyle 1\le x\le2일 때 함수 u(x)\displaystyle u(x)의 그래프는 x\displaystyle x축과 한 점에서 만나게 된다.n\displaystyle n이 양의 정수일 때 문항 (1)의 증감표에 의하여 함수 u(x)\displaystyle u(x)2nx2n+1\displaystyle 2n\le x\le2n+1에서 감소하고 2n+1x2n+2\displaystyle 2n+1\le x\le2n+2에서 증가하며, u(2n)=h(2n)>0\displaystyle u(2n)=h(2n)>0이고 u(2n+2)=h(2n+2)>0\displaystyle u(2n+2)=h(2n+2)>0이다.따라서 2nx2n+2\displaystyle 2n\le x\le2n+2에서 함수 u(x)\displaystyle u(x)의 그래프와 x\displaystyle x축의 교점의 개수는 다음과 같이 주어진다.(a) u(2n+1)=h(2n+1)1>0\displaystyle u(2n+1)=h(2n+1)-1>0: 교점의 개수는 0개이다.(b) u(2n+1)=h(2n+1)1=0\displaystyle u(2n+1)=h(2n+1)-1=0: 교점의 개수는 1개이다.(c) u(2n+1)=h(2n+1)1<0\displaystyle u(2n+1)=h(2n+1)-1<0: 교점의 개수는 2개이다.함수 h(x)\displaystyle h(x)는 증가함수이므로, h(2n+1)<h(2n+3)\displaystyle h(2n+1)<h(2n+3)이다. 따라서, 구간 [2n,2n+2]\displaystyle [2n,2n+2]에서 경우 (a) 또는 (b)가 발생하면, 다음 구간 [2n+2,2n+4]\displaystyle [2n+2,2n+4]에서는 반드시 경우 (a)가 발생한다.그러므로 함수 u(x)\displaystyle u(x)의 그래프와 x\displaystyle x축이 1001개의 점에서 만나기 위해서는 1<x<2\displaystyle 1<x<2에서 한 번 만나고, 경우 (c)가 정확히 500번 발생하여야 한다. 즉 다음이 성립하여야 한다.h(21+1)<1,h(22+1)<1,h(2500+1)<1,h(2501+1)>1\displaystyle \begin{gathered}h(2\cdot1+1)<1,\\h(2\cdot2+1)<1,\\\vdots\\h(2\cdot500+1)<1,\\h(2\cdot501+1)>1\end{gathered}함수 h(x)\displaystyle h(x)는 증가함수이므로 h(1001)<1\displaystyle h(1001)<1, h(1003)>1\displaystyle h(1003)>1이 성립하면 충분하다.h(1001)<1g(h(1001))=1001<g(1),h(1003)>1g(h(1003))=1003>g(1)\displaystyle \begin{aligned}h(1001)<1&\Leftrightarrow g(h(1001))=1001<g(1),\\h(1003)>1&\Leftrightarrow g(h(1003))=1003>g(1)\end{aligned}이므로 1001<g(1)<1003\displaystyle 1001<g(1)<1003, 즉 1001<k+2<1003\displaystyle 1001<k+2<1003이 성립해야 한다. 따라서 구하는 실수 k\displaystyle k의 값의 범위는999<k<1001\displaystyle 999<k<1001이다.

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