미적분Ⅰ부정적분과 정적분수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

주기적 함수로 정의된 구간 정적분의 최솟값

문제

x0x \geq 0에서 정의된 연속함수 f(x)f \left( x \right)가 다음 조건을 만족시킨다.

(가) f(x)={x(x2)(0x<2)12x1(2x4)\displaystyle f \left( x \right) = \begin{cases} - x \left( x - 2 \right) & & \left( 0 \leq x < 2 \right) \\ \frac{1}{2} x - 1 & & \left( 2 \leq x \leq 4 \right) \end{cases} (나) x0x \geq 0인 모든 실수 xx에 대하여 f(x+4)=f(x)+1f \left( x + 4 \right) = f \left( x \right) + 1이다.

실수 aa5a65 \leq a \leq 6일 때, aa+2f(x)dx\displaystyle \int _{a} ^{a + 2} f \left( x \right) dx의 최솟값은? [5점] 12148\displaystyle \frac{121}{48}3112\displaystyle \frac{31}{12}12748\displaystyle \frac{127}{48}6524\displaystyle \frac{65}{24}13348\displaystyle \frac{133}{48}

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해설

g(a)g \left( a \right)=aa+2f(x)dx\displaystyle = \int _{a} ^{a + 2} {f \left( x \right) dx}라 하면 g(a)=f(a+2)f(a)g' \left( a \right) = f \left( a + 2 \right) - f \left( a \right) (ⅰ) f(a+2)f \left( a + 2 \right)의 값을 구하면 5a65 \leq a \leq 6에서 7a+287 \leq a + 2 \leq 8 f(a+2)=f((a2)+4)=f(a2)+1f \left( a + 2 \right) = f \left( \left( a - 2 \right) + 4 \right) = f \left( a - 2 \right) + 1 이때 3a243 \leq a - 2 \leq 4이므로 조건 (가)에서 f(a2)=12(a2)1=12a2\displaystyle f \left( a - 2 \right) = \frac{1}{2} \left( a - 2 \right) - 1 = \frac{1}{2} a - 2 \therefore f(a+2)f \left( a + 2 \right)=(12a2)+1=12a1\displaystyle = \left( \frac{1}{2} a - 2 \right) + 1 = \frac{1}{2} a - 1 (ⅱ) f(a)f \left( a \right)의 값을 구하면 5a65 \leq a \leq 6이므로 f(a)=f((a4)+4)=f(a4)+1f \left( a \right) = f \left( \left( a - 4 \right) + 4 \right) = f \left( a - 4 \right) + 1 이때 1a421 \leq a - 4 \leq 2이므로 조건 (가)에서 f(a4)f \left( a - 4 \right)=(a4){(a4)2}= - \left( a - 4 \right) \left\{ \left( a - 4 \right) - 2 \right\} =(a4)(a6)= - \left( a - 4 \right) \left( a - 6 \right) =a2+10a24= - a ^{2} + 10 a - 24 \therefore f(a)f \left( a \right)=a2+10a23= - a ^{2} + 10 a - 23 (ⅰ), (ⅱ)에 의해 f(a+2)f \left( a + 2 \right)=12a1\displaystyle = \frac{1}{2} a - 1, f(a)f \left( a \right)=a2+10a23= - a ^{2} + 10 a - 23 이므로 g(a)g' \left( a \right)=f(a+2)f(a)= f \left( a + 2 \right) - f \left( a \right) =(12a1)(a2+10a23)\displaystyle = \left( \frac{1}{2} a - 1 \right) - \left( - a ^{2} + 10 a - 23 \right) =a2192a+22\displaystyle = a ^{2} - \frac{19}{2} a + 22 g(a)=0g' \left( a \right) = 0에서 2a219a+44=02 a ^{2} - 19 a + 44 = 0, (2a11)(a4)=0\left( 2 a - 11 \right) \left( a - 4 \right) = 0 \therefore a=4a = 4 또는 a=112\displaystyle a = \frac{11}{2} 이때 5a65 \leq a \leq 6이므로 a=112\displaystyle a = \frac{11}{2} 따라서 g(a)g \left( a \right)a=112\displaystyle a = \frac{11}{2}에서 극솟값이면서 최솟값을 가지므로 g(a)g \left( a \right)의 최솟값은 112152f(x)dx\displaystyle \int _{\frac{11}{2}} ^{\frac{15}{2}} f \left( x \right) dx 함수 f(x)f \left( x \right)xx축의 방향으로 4- 4만큼 평행이동하면 112152f(x)dx\displaystyle \int _{\frac{11}{2}} ^{\frac{15}{2}} f \left( x \right) dx=3272f(x+4)dx\displaystyle = \int _{\frac{3}{2}} ^{\frac{7}{2}} f \left( x + 4 \right) dx =3272{f(x)+1}dx\displaystyle = \int _{\frac{3}{2}} ^{\frac{7}{2}} \left\{ f \left( x \right) + 1 \right\} dx =3272f(x)dx+2\displaystyle = \int _{\frac{3}{2}} ^{\frac{7}{2}} {f \left( x \right) dx} + 2 =322(x2+2x)dx+272(12x1)dx\displaystyle = \int _{\frac{3}{2}} ^{2} {\left( - x ^{2} + 2 x \right) dx + \int _{2} ^{\frac{7}{2}} {\left( \frac{1}{2} x - 1 \right) dx}}+2+ 2 =[13x3+x2]322+[14x2x]272\displaystyle = \left[ - \frac{1}{3} x ^{3} + x ^{2} \right] _{\frac{3}{2}} ^{2} + \left[ \frac{1}{4} x ^{2} - x \right] _{2} ^{\frac{7}{2}}+2+ 2 =524+916+2\displaystyle = \frac{5}{24} + \frac{9}{16} + 2 =13348\displaystyle = \frac{133}{48} 따라서 구하는 최솟값은 13348\displaystyle \frac{133}{48}이다.

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