수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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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.(i) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 정의되어 있다.(ii) 극한값 lim⁡x→af(x)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)가 존재한다.(iii) lim⁡x→af(x)=f(a)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=f(a)[출처 : 수학II 「함수의 연속」]

함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)가 아래와 같이 주어져 있다.f(x)={1−x2(x≤0)1−ax2(x>0) (단, a는 상수),g(x)={−x+12(x≤0)−x−14(x>0)\displaystyle f(x)=\begin{cases}1-x^2&(x\le0)\\1-ax^2&(x>0)\end{cases}\ (\text{단, }a\text{는 상수}),\quad g(x)=\begin{cases}-x+\frac12&(x\le0)\\-x-\frac14&(x>0)\end{cases}합성함수 f(g(x))\displaystyle f(g(x))는 연속이라고 하자.이때 한 변이 x\displaystyle x축 위에 있고, 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형에 내접하는 직사각형의 넓이의 최댓값을 구하시오.

해설강의 준비중
+25점 · 연속성을 통하여 함수의 계수를 계산하고, 주어진 성질을 만족하는 직사각형의 넓이를 함수로 표현하고 미분하여 최댓값을 구할 수 있다.

합성함수 f(g(x))\displaystyle f(g(x))는 다음과 같다.f(g(x))={1−a(−x+12)2x≤01−(−x−14)2x>0\displaystyle f(g(x))=\begin{cases}1-a\left(-x+\frac12\right)^2&x\le0\\1-\left(-x-\frac14\right)^2&x>0\end{cases}이 함수가 x=0\displaystyle x=0에서 연속이기 위해서는 좌극한, 우극한과 함숫값이 일치해야 한다. 따라서1−a22=lim⁡x→0−f(g(x))=f(g(0))=lim⁡x→0+f(g(x))=1−142\displaystyle 1-\frac a{2^2}=\lim_{x\to0-}f(g(x))=f(g(0))=\lim_{x\to0+}f(g(x))=1-\frac1{4^2}이어야 하므로, a=14\displaystyle a=\frac14이다.

함수 f(x)의 그래프와 x축으로 둘러싸인 도형에 내접하는 직사각형

직사각형의 오른쪽 변의 x\displaystyle x좌표를 m\displaystyle m이라고 하자. 이때 직사각형의 오른쪽 위 꼭짓점은 A(m,1−14m2)\displaystyle \mathrm A\left(m,1-\frac14m^2\right)이 된다.직사각형의 왼쪽 위 꼭짓점은 B(n,1−14m2)\displaystyle \mathrm B\left(n,1-\frac14m^2\right)이고 이 점은 곡선 y=1−x2\displaystyle y=1-x^2위에 있으므로 다음 식이 성립한다.1−n2=1−14m2\displaystyle 1-n^2=1-\frac14m^2따라서 n=−m2\displaystyle n=-\frac m2이고 직사각형의 넓이는 다음과 같다.S(m)=(1−m24)(m+m2)=32m−38m3\displaystyle S(m)=\left(1-\frac{m^2}4\right)\left(m+\frac m2\right)=\frac32m-\frac38m^3S′(m)=32−98m2 (0<m<2)\displaystyle S^{\prime}(m)=\frac32-\frac98m^2\ (0<m<2)이고 함수 S(m)\displaystyle S(m)의 증감표는 다음과 같다.

mm0<m<230<m<\frac2{\sqrt3}23\frac2{\sqrt3}⋯
S′(m)S^{\prime}(m)+0−
S(m)S(m)↗23\frac2{\sqrt3}↘

따라서 직사각형의 넓이의 최댓값은 23\displaystyle \frac2{\sqrt3}이다.

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