수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

【문제 1】아래의 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (30점)

두 개의 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)를 다음과 같이 정의한다.

(가) f(x)={2x−2(0≤x<2)axebx(2≤x≤4)\displaystyle f(x)=\begin{cases}2x-2&(0\le x<2)\\axe^{bx}&(2\le x\le4)\end{cases}

(나) g(x)=∣(x−1)(x−3)∣−5(0≤x≤4)\displaystyle g(x)=|(x-1)(x-3)|-5\quad(0\le x\le4)

(다) a,b\displaystyle a,b는 상수이다.

[문제 1-1] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 (0,4)\displaystyle (0,4)에서 미분가능할 때 a,b\displaystyle a,b를 구하시오. (10점)

[문제 1-2] (문제 1-1)에서 구한 a,b\displaystyle a,b에 대하여 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프와 직선 x=4\displaystyle x=4로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오. (20점)

해설강의 준비중

(문제 1-1) 배점 10점

(정답) a=1e\displaystyle a=\frac1e, b=12\displaystyle b=\frac12

(풀이)

구간 (0,4)\displaystyle (0,4)에서 미분가능 하려면 x=2\displaystyle x=2에서 연속이어야 한다.

2×2−2=a×2×e2b\displaystyle 2\times2-2=a\times2\times e^{2b}, 1=ae2b\displaystyle 1=ae^{2b}

x=2\displaystyle x=2에서 좌미분계수는

lim⁡h→0−f(2+h)−f(2)h=lim⁡h→0−(2×(2+h)−2)−(2×2−2)h=lim⁡h→0−2hh=2\displaystyle \lim_{h\to0^-}\frac{f(2+h)-f(2)}h=\lim_{h\to0^-}\frac{(2\times(2+h)-2)-(2\times2-2)}h=\lim_{h\to0^-}\frac{2h}h=2

우미분계수는

lim⁡h→0+f(2+h)−f(2)h=lim⁡h→0+a(2+h)eb(2+h)−a(2)eb(2)h=lim⁡h→0+2aeb(2+h)+aheb(2+h)−2ae2bh=lim⁡h→0+2ae2b(ebh−1)+ahe2bebhh=lim⁡h→0+2ae2b(ebh−1)+ahe2bebhh=2ae2blim⁡h→0+ebh−1h+lim⁡h→0+ae2bebh=2abe2b+ae2b(∵lim⁡h→0+ebh−1bhb=b)\displaystyle \begin{aligned}\lim_{h\to0^+}\frac{f(2+h)-f(2)}h&=\lim_{h\to0^+}\frac{a(2+h)e^{b(2+h)}-a(2)e^{b(2)}}h\\&=\lim_{h\to0^+}\frac{2ae^{b(2+h)}+ahe^{b(2+h)}-2ae^{2b}}h\\&=\lim_{h\to0^+}\frac{2ae^{2b}(e^{bh}-1)+ahe^{2b}e^{bh}}h\\&=\lim_{h\to0^+}\frac{2ae^{2b}(e^{bh}-1)+ahe^{2b}e^{bh}}h\\&=2ae^{2b}\lim_{h\to0^+}\frac{e^{bh}-1}h+\lim_{h\to0^+}ae^{2b}e^{bh}=2abe^{2b}+ae^{2b}\quad\left(\because\lim_{h\to0^+}\frac{e^{bh}-1}{bh}b=b\right)\end{aligned}

이다.

구간 (0,4)\displaystyle (0,4)에서 미분가능 하려면 좌미분계수와 우미분계수가 같아야 하므로 2=ae2b+2abe2b\displaystyle 2=ae^{2b}+2abe^{2b}

a,b\displaystyle a,b값을 구하면

2=1(1+2b)\displaystyle 2=1(1+2b)이므로 b=12\displaystyle b=\frac12

1=ae2×12\displaystyle 1=ae^{2\times\frac12}이므로 a=1e\displaystyle a=\frac1e

(문제 1-2) 배점 20점

(정답) 4e+16\displaystyle 4e+16

(풀이)

x<1\displaystyle x<1, x>3\displaystyle x>3인 경우, g(x)=(x−1)(x−3)−5\displaystyle g(x)=(x-1)(x-3)-5이므로

g(x)=x2−4x+3−5=x2−4x−2\displaystyle g(x)=x^2-4x+3-5=x^2-4x-2

1<x<3\displaystyle 1<x<3인 경우, g(x)=−(x−1)(x−3)−5\displaystyle g(x)=-(x-1)(x-3)-5이므로

g(x)=−x2+4x−3−5=−x2+4x−8\displaystyle g(x)=-x^2+4x-3-5=-x^2+4x-8

적분구간을 4개로 나누어서 표현하면

∫04(f(x)−g(x)) dx=∫01((2x−2)−(x2−4x−2)) dx+∫12((2x−2)−(−x2+4x−8)) dx+∫23(xe12(x−2)−(−x2+4x−8)) dx+∫34(xe12(x−2)−(x2−4x−2)) dx=∫01(−x2+6x) dx+∫12(x2−2x+6) dx+∫23(xe12(x−2)+x2−4x+8) dx+∫34(xe12(x−2)−x2+4x+2) dx\displaystyle \begin{aligned}\int_0^4(f(x)-g(x))\,dx&=\int_0^1((2x-2)-(x^2-4x-2))\,dx+\int_1^2((2x-2)-(-x^2+4x-8))\,dx\\&\quad+\int_2^3\left(xe^{\frac12(x-2)}-(-x^2+4x-8)\right)\,dx+\int_3^4\left(xe^{\frac12(x-2)}-(x^2-4x-2)\right)\,dx\\&=\int_0^1(-x^2+6x)\,dx+\int_1^2(x^2-2x+6)\,dx\\&\quad+\int_2^3\left(xe^{\frac12(x-2)}+x^2-4x+8\right)\,dx+\int_3^4\left(xe^{\frac12(x-2)}-x^2+4x+2\right)\,dx\end{aligned}

=[−x33+3x2]01+[x33−x2+6x]12+[2xe12(x−2)]23−∫232e12(x−2) dx+[x33−2x2+8x]23+[2xe12(x−2)]34−∫342e12(x−2) dx+[−x33+2x2+2x]34=[−x33+3x2]01+[x33−x2+6x]12+[2xe12(x−2)]23−[4e12(x−2)]23+[x33−2x2+8x]23+[2xe12(x−2)]34−[4e12(x−2)]34+[−x33+2x2+2x]34=(−13+3)+(83−4+12−(13−1+6))+(6e0.5−4−(4e0.5−4)+273−18+24−(83−8+16))+(8e−6e0.5−(4e−4e0.5)−643+32+8−(−273+18+6))=4e+16\displaystyle \begin{aligned}&=\Biggl[-\frac{x^3}3+3x^2\Biggr]_0^1+\Biggl[\frac{x^3}3-x^2+6x\Biggr]_1^2\\&\quad+\Biggl[2xe^{\frac12(x-2)}\Biggr]_2^3-\int_2^32e^{\frac12(x-2)}\,dx+\Biggl[\frac{x^3}3-2x^2+8x\Biggr]_2^3\\&\quad+\Biggl[2xe^{\frac12(x-2)}\Biggr]_3^4-\int_3^42e^{\frac12(x-2)}\,dx+\Biggl[-\frac{x^3}3+2x^2+2x\Biggr]_3^4\\&=\Biggl[-\frac{x^3}3+3x^2\Biggr]_0^1+\Biggl[\frac{x^3}3-x^2+6x\Biggr]_1^2\\&\quad+\Biggl[2xe^{\frac12(x-2)}\Biggr]_2^3-\Biggl[4e^{\frac12(x-2)}\Biggr]_2^3+\Biggl[\frac{x^3}3-2x^2+8x\Biggr]_2^3\\&\quad+\Biggl[2xe^{\frac12(x-2)}\Biggr]_3^4-\Biggl[4e^{\frac12(x-2)}\Biggr]_3^4+\Biggl[-\frac{x^3}3+2x^2+2x\Biggr]_3^4\\&=\left(-\frac13+3\right)+\left(\frac83-4+12-\left(\frac13-1+6\right)\right)\\&\quad+\left(6e^{0.5}-4-(4e^{0.5}-4)+\frac{27}3-18+24-\left(\frac83-8+16\right)\right)\\&\quad+\left(8e-6e^{0.5}-(4e-4e^{0.5})-\frac{64}3+32+8-\left(-\frac{27}3+18+6\right)\right)\\&=4e+16\end{aligned}

[문제 1-1] (10점)(상) 문제해결방향과계산이명확하고옳게답을구한경우(중상) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에사소한실수가있는경우(중하) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에중요한실수나계산을끝까지마치지 못한경우(하) 잘못된방향설정으로답을구하지못한경우

[문제 1-2] (20점)(상) 문제해결방향과계산이명확하고옳게답을구한경우(중상) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에사소한실수가있는경우(중하) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에중요한실수나계산을끝까지마치지 못한경우(하) 잘못된방향설정으로답을구하지못한경우

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