수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오전) 3번

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문제

다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(제시문1) 일대일 대응함수 f:X→Y\displaystyle f:X\to Y에서 정의역 X\displaystyle X의 원소 x1,x2\displaystyle x_1,x_2에 대하여 x1≠x2\displaystyle x_1\ne x_2이면 f(x1)≠f(x2)\displaystyle f(x_1)\ne f(x_2)가 성립하고 치역과 공역이 서로 같을 때, 함수 f\displaystyle f를 일대일 대응이라 한다.(제시문2) 함수의 연속함수 f(x)\displaystyle f(x)가 실수 a\displaystyle a에 대하여 다음 조건을 모두 만족시킬 때, f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 연속이라 한다.① 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.(lim⁡x→a+f(x)=lim⁡x→a−f(x)=L\displaystyle \lim_{x\to a+}f(x)=\lim_{x\to a-}f(x)=L일 때, lim⁡x→af(x)=L\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=L이다.)③ lim⁡x→af(x)=f(a)\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=f(a)(제시문3) 평균값 정리함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 미분가능할 때,f(b)−f(a)b−a=f′(c)\displaystyle \frac{f(b)-f(a)}{b-a}=f^{\prime}(c)인 c\displaystyle c가 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 적어도 하나 존재한다.(제시문4) 거듭제곱근실수 a\displaystyle a에 대하여 n\displaystyle n이 2\displaystyle 2이상의 자연수일 때, n\displaystyle n제곱하여 a\displaystyle a가 되는 수, 즉 방정식xn=a\displaystyle x^n=a를 만족시키는 수 x\displaystyle x를 a\displaystyle a의 n\displaystyle n제곱근이라 한다. 또한 a>0\displaystyle a>0일 때, a\displaystyle a의 n\displaystyle n제곱근 중에서 양의 실수인 것을 an\displaystyle \sqrt[n]a라고 한다.

문제 3-1 [10점]집합 X={x∣1≤x≤a,a>1}\displaystyle X=\{x\mid1\le x\le a,a>1\}에 대하여 X\displaystyle X에서 X\displaystyle X로의 함수 f(x)=(x−1)3+b\displaystyle f(x)=(x-1)^3+b가 일대일 대응일 때, 다음 물음에 답하시오. (단, a,b\displaystyle a,b는 상수이다.)

(1) a,b\displaystyle a,b의 값을 구하고, 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 구하시오.(2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [1,a]\displaystyle [1,a]에서 (제시문3)의 평균값 정리를 만족시키는 상수 c\displaystyle c의 값을 구하시오.

문제 3-2 [15점](문제 3-1)에서 구한 상수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 다음 조건을 만족시키는 함수를 g(x)\displaystyle g(x)라 할 때, 물음에 답하시오.

(가) g(x)=(x−1)3+b(1≤x≤a)\displaystyle g(x)=(x-1)^3+b\quad(1\le x\le a)(나) 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 g(x)=g(x−1)+2p\displaystyle g(x)=g(x-1)+2p인 상수 p\displaystyle p가 존재한다.

(1) 상수 p\displaystyle p의 값을 구하시오.(2) 닫힌 구간 [−1,3]\displaystyle [-1,3]에서 함수 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프를 그리시오.(3) 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 역함수를 u(x)\displaystyle u(x)라 할 때, ∫−13u(x) dx\displaystyle \int_{-1}^3u(x)\,dx의 값을 구하시오.

문제 3-3 [15점](문제 3-2)에서 구한 함수 g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 다음 물음에 답하시오.

(1) 자연수 n\displaystyle n에 대하여 G(n)\displaystyle G(n)을G(n)=∫nn+1g(x) dx\displaystyle G(n)=\int_n^{n+1}g(x)\,dx라 할 때, ∑n=11045G(n)G(n+1)\displaystyle \sum_{n=1}^{10}\frac{45}{G(n)G(n+1)}의 값을 구하시오.

(2) 함수H(x)={g(x)(x<d)52x3−1(x≥d)\displaystyle H(x)=\begin{cases}g(x)&(x<d)\\\frac52x^3-1&(x\ge d)\end{cases}에 대하여 x=d\displaystyle x=d에서 함수 H(x)\displaystyle H(x)는 불연속이고, 함수 ∣H(x)∣\displaystyle |H(x)|는 연속이 되도록 하는 상수 d\displaystyle d의 값을 구하시오.

해설강의 준비중

문제 3-1(1) 함수 f(x)=(x−1)3+b\displaystyle f(x)=(x-1)^3+b가 닫힌 구간 [1,a]\displaystyle [1,a]에서 증가하고 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 일대일대응이므로 (제시문1)에 의하여 f(1)=1\displaystyle f(1)=1이고 f(a)=a\displaystyle f(a)=a이다. f(1)=1\displaystyle f(1)=1에서 b=1\displaystyle b=1이고,f(a)=a\displaystyle f(a)=a에서 (a−1)3+1=a, a(a−1)(a−2)=0, a=0,1,2\displaystyle (a-1)^3+1=a,\ a(a-1)(a-2)=0,\ a=0,1,2이때 a>1\displaystyle a>1이므로 a=2\displaystyle a=2이다.따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 f(x)=(x−1)3+1 (1≤x≤2)\displaystyle f(x)=(x-1)^3+1\ (1\le x\le2)이다.

(2) 함수 f(x)=(x−1)3+1\displaystyle f(x)=(x-1)^3+1이 닫힌 구간 [1,2]\displaystyle [1,2]에서 연속이고 열린 구간 (1,2)\displaystyle (1,2)에서 미분가능하므로 (제시문3) 평균값 정리에 의하여f(2)−f(1)2−1=f′(c), 2−12−1=3c2−6c+3\displaystyle \frac{f(2)-f(1)}{2-1}=f^{\prime}(c),\ \frac{2-1}{2-1}=3c^2-6c+3c=3−33\displaystyle c=\frac{3-\sqrt3}3 또는 c=3+33\displaystyle c=\frac{3+\sqrt3}31<c<2\displaystyle 1<c<2이므로 c=3+33\displaystyle c=\frac{3+\sqrt3}3이다.

문제 3-2(1) (문제3-1)에서 구한 a,b\displaystyle a,b를 대입하면 g(x)=(x−1)3+1 (1≤x≤2)\displaystyle g(x)=(x-1)^3+1\ (1\le x\le2)이다.조건 (나)에서 x=2\displaystyle x=2이면 g(2)=g(1)+2p\displaystyle g(2)=g(1)+2p이므로 2=1+2p\displaystyle 2=1+2p에서 p=12\displaystyle p=\frac12이다.

(2) 함수 g(x)=(x−1)3+1 (1≤x≤2)\displaystyle g(x)=(x-1)^3+1\ (1\le x\le2)는 조건 (나)에서 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 g(x)=g(x−1)+1\displaystyle g(x)=g(x-1)+1을 만족시키므로 2≤x≤3\displaystyle 2\le x\le3에서 g(x)\displaystyle g(x)의 그래프는 g(x)=(x−1)3+1 (1≤x≤2)\displaystyle g(x)=(x-1)^3+1\ (1\le x\le2)의 그래프를 x\displaystyle x축의 방향으로 1\displaystyle 1만큼, y\displaystyle y축의 방향으로 1\displaystyle 1만큼 평행이동한 것이다. 즉, g(x)=(x−2)2+2 (2≤x≤3)\displaystyle g(x)=(x-2)^2+2\ (2\le x\le3)Correction. g(x)=(x−2)2+2\displaystyle g(x)=(x-2)^2+2의 지수 2\displaystyle 2는 3\displaystyle 3의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.함수 g(x)=(x−1)3+1 (1≤x≤2)\displaystyle g(x)=(x-1)^3+1\ (1\le x\le2)는 조건 (나)에서 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 g(x)=g(x+1)−1\displaystyle g(x)=g(x+1)-1을 만족시키므로 0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1에서 g(x)\displaystyle g(x)의 그래프는 g(x)=(x−1)3+1 (1≤x≤2)\displaystyle g(x)=(x-1)^3+1\ (1\le x\le2)의 그래프를 x\displaystyle x축의 방향으로 −1\displaystyle -1만큼, y\displaystyle y축의 방향으로 −1\displaystyle -1만큼 평행이동한 것이다. 즉, g(x)=x3 (0≤x≤1)\displaystyle g(x)=x^3\ (0\le x\le1)함수 g(x)=x3 (0≤x≤1)\displaystyle g(x)=x^3\ (0\le x\le1)는 조건 (나)에서 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 g(x)=g(x+1)−1\displaystyle g(x)=g(x+1)-1을 만족시키므로 −1≤x≤0\displaystyle -1\le x\le0에서 g(x)\displaystyle g(x)의 그래프는 g(x)=x3 (0≤x≤1)\displaystyle g(x)=x^3\ (0\le x\le1)의 그래프를 x\displaystyle x축의 방향으로 −1\displaystyle -1만큼, y\displaystyle y축의 방향으로 −1\displaystyle -1만큼 평행이동한 것이다. 즉, g(x)=(x+1)3−1 (−1≤x≤0)\displaystyle g(x)=(x+1)^3-1\ (-1\le x\le0)

평행이동으로 이어진 함수 g의 그래프

(3) ∫−13u(x) dx=∫−10u(x) dx+∫03u(x) dx\displaystyle \int_{-1}^3u(x)\,dx=\int_{-1}^0u(x)\,dx+\int_0^3u(x)\,dx두 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 y=u(x)\displaystyle y=u(x)는 직선 y=x\displaystyle y=x에 대하여 대칭이므로(ⅰ) ∫−10u(x) dx=−∫−10{g(x)−(−1)} dx=−∫−10{(x+1)3−1+1} dx=−∫−10(x3+3x2+3x+1) dx=−[x44+x3+32x2+x]−10=−14\displaystyle \begin{aligned}\int_{-1}^0u(x)\,dx&=-\int_{-1}^0\{g(x)-(-1)\}\,dx=-\int_{-1}^0\{(x+1)^3-1+1\}\,dx\\&=-\int_{-1}^0(x^3+3x^2+3x+1)\,dx\\&=-\Biggl[\frac{x^4}4+x^3+\frac32x^2+x\Biggr]_{-1}^0=-\frac14\end{aligned}(ⅱ) ∫03u(x) dx=3×3−∫03g(x) dx=9−(1+2+3∫01x3 dx)=6−3∫01x3 dx=214\displaystyle \int_0^3u(x)\,dx=3\times3-\int_0^3g(x)\,dx=9-\left(1+2+3\int_0^1x^3\,dx\right)=6-3\int_0^1x^3\,dx=\frac{21}4따라서 (ⅰ),(ⅱ)에 의하여∫−13u(x) dx=∫−10u(x) dx+∫03u(x) dx=−14+214=5\displaystyle \int_{-1}^3u(x)\,dx=\int_{-1}^0u(x)\,dx+\int_0^3u(x)\,dx=-\frac14+\frac{21}4=5

문제 3-3(1) 자연수 n\displaystyle n에 대하여 닫힌 구간 [n,n+1]\displaystyle [n,n+1]에서 함수 y=g(x)\displaystyle y=g(x)는 g(x)=(x−n)3+n\displaystyle g(x)=(x-n)^3+n이므로G(n)=∫nn+1g(x) dx=∫nn+1{(x−n)3+n} dx=n+∫01x3 dx=n+14\displaystyle G(n)=\int_n^{n+1}g(x)\,dx=\int_n^{n+1}\{(x-n)^3+n\}\,dx=n+\int_0^1x^3\,dx=n+\frac14G(n)=n+14\displaystyle G(n)=n+\frac14이므로∑n=11045G(n)G(n+1)=∑n=11045(n+14)(n+54)=45∑n=11016(4n+1)(4n+5)=180∑n=110(14n+1−14n+5)=180{(15−19)+(19−113)+(113−117)+⋯+(141−145)}=180(15−145)=32\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^{10}\frac{45}{G(n)G(n+1)}&=\sum_{n=1}^{10}\frac{45}{\left(n+\frac14\right)\left(n+\frac54\right)}\\&=45\sum_{n=1}^{10}\frac{16}{(4n+1)(4n+5)}=180\sum_{n=1}^{10}\left(\frac1{4n+1}-\frac1{4n+5}\right)\\&=180\left\{\left(\frac15-\frac19\right)+\left(\frac19-\frac1{13}\right)+\left(\frac1{13}-\frac1{17}\right)+\cdots+\left(\frac1{41}-\frac1{45}\right)\right\}\\&=180\left(\frac15-\frac1{45}\right)=32\end{aligned}따라서 ∑n=11045G(n)G(n+1)=32\displaystyle \sum_{n=1}^{10}\frac{45}{G(n)G(n+1)}=32

(2) (Ⅰ) 함수 h(x)\displaystyle h(x)를 h(x)=52x3−1\displaystyle h(x)=\frac52x^3-1라 하면 두 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 y=h(x)\displaystyle y=h(x)의 그래프는 다음과 같다. 두 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 y=h(x)\displaystyle y=h(x)는 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 만나므로x3=52x3−1, x3=23, x=233\displaystyle x^3=\frac52x^3-1,\ x^3=\frac23,\ x=\sqrt[3]{\frac23}따라서 H(x)\displaystyle H(x)는 x=d(d≠233)\displaystyle x=d\left(d\ne\sqrt[3]{\frac23}\right)에서 불연속이므로 d∈{x∣x≠233인 실수}\displaystyle d\in\left\{x\mid x\ne\sqrt[3]{\frac23}\text{인 실수}\right\}이다.

함수 g와 h의 교점

(Ⅱ) 함수 ∣H(x)∣\displaystyle |H(x)|가 x=d\displaystyle x=d에서 연속이 되려면 (제시문2)에 의하여∣H(d)∣=lim⁡x→d−∣H(x)∣=lim⁡x→d+∣H(x)∣, ∣g(d)∣=∣h(d)∣\displaystyle |H(d)|=\lim_{x\to d-}|H(x)|=\lim_{x\to d+}|H(x)|,\ |g(d)|=|h(d)|(ⅰ) g(d)=h(d)\displaystyle g(d)=h(d)일 때(Ⅰ)에 의하여 함수 ∣H(x)∣\displaystyle |H(x)|는 x=233\displaystyle x=\sqrt[3]{\frac23}에서 연속이다.(ⅱ) g(d)=−h(d)\displaystyle g(d)=-h(d)일 때함수 g(x)\displaystyle g(x)는 실수 전체의 집합에서 연속이고 증가한다. 그리고 함수 y=−h(x)\displaystyle y=-h(x)는 실수 전체의 집합에서 연속이고 감소한다.g(0)=0,−h(0)=1,g(1)=1,−h(1)=−32\displaystyle g(0)=0,-h(0)=1,g(1)=1,-h(1)=-\frac32이므로 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 함수 g(x)=x3\displaystyle g(x)=x^3의 그래프와 곡선 y=−h(x)\displaystyle y=-h(x)가 만난다.d3=−(52d3−1),d3=27\displaystyle d^3=-\left(\frac52d^3-1\right),d^3=\frac27. (제시문4)에 의하여 d=273\displaystyle d=\sqrt[3]{\frac27}(ⅰ),(ⅱ)에 의하여 함수 ∣H(x)∣\displaystyle |H(x)|는 d=233\displaystyle d=\sqrt[3]{\frac23}와 d=273\displaystyle d=\sqrt[3]{\frac27}일 때만 연속이 된다.따라서 (Ⅰ),(Ⅱ)에 의하여 함수 H(x)\displaystyle H(x)가 x=d\displaystyle x=d에서 불연속이고, 함수∣H(x)∣\displaystyle |H(x)|가 연속이 되는 d\displaystyle d의 값은 d=273\displaystyle d=\sqrt[3]{\frac27}이다.

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