미적분Ⅱ여러 가지 미분법수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

로그 절댓값 미분 극한

문제

최고차항의 계수가 11인 사차함수 f(x)f \left( x \right)에 대하여 F(x)=lnf(x)F \left( x \right) = \ln \left| f \left( x \right) \right| 라 하고, 최고차항의 계수가 11인 삼차함수 g(x)g \left( x \right)에 대하여 G(x)=lng(x)sinxG \left( x \right) = \ln \left| g \left( x \right) \sin x \right| 라 하자. limx1(x1)F(x)=3\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\left( x - 1 \right) F' \left( x \right)} = 3, limx0F(x)G(x)=14\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 0} {\frac{F' \left( x \right)}{G' \left( x \right)} = \frac{1}{4}} 일 때, f(3)+g(3)f \left( 3 \right) + g \left( 3 \right)의 값은? [4점] 57575555535351514949

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해설

F(x)=lnf(x)F ( x ) = \ln \left| f ( x ) \right|를 미분하면 F(x)=f(x)f(x)\displaystyle F' ( x ) = \frac{f' ( x )}{f ( x )} limx1(x1)F(x)=limx1(x1)f(x)f(x)=3\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1} ( x - 1 ) F' ( x ) = \lim\limits _{x \rightarrow 1} \frac{( x - 1 ) f' ( x )}{f ( x ) = 3}에서 f(1)=0f ( 1 ) = 0이다. f(x)=(x1)q(x)f ( x ) = ( x - 1 ) q ( x )라 하면 f(x)=q(x)+(x1)q(x)f' ( x ) = q ( x ) + ( x - 1 ) q' ( x )이므로 limx1(x1){Q(x)+(x1)Q(x)}(x1)Q(x)=13\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1} \frac{( x - 1 ) \left\{ Q ( x ) + ( x - 1 ) Q' ( x ) \right\}}{( x - 1 ) Q ( x )} = 1 \ne 3이다. f(x)=(x1)kh(x)(k2인자연수)f ( x ) = ( x - 1 ) ^{k} h ( x ) ( k \geq 2 \text{인} \text{자연수} )라 하면 f(x)=k(x1)k1h(x)+(x1)kh(x)f' ( x ) = k ( x - 1 ) ^{k - 1} h ( x ) + ( x - 1 ) ^{k} h' ( x )이므로 limx1(x1){k(x1)k1h(x)+(x1)kh(x)}(x1)kh(x)\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1} \frac{( x - 1 ) \left\{ k ( x - 1 ) ^{k - 1} h ( x ) + ( x - 1 ) ^{k} h' ( x ) \right\}}{( x - 1 ) ^{k} h ( x )} =limx1k(x1)kh(x)+(x1)k+1h(x)(x1)kh(x)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 1} \frac{k ( x - 1 ) ^{k} h ( x ) + ( x - 1 ) ^{k + 1} h' ( x )}{( x - 1 ) ^{k} h ( x )} =k= k 이므로 조건으로부터 k=3k = 3이다. 따라서 f(x)=(x1)3(xa)f ( x ) = ( x - 1 ) ^{3} ( x - a )의 꼴이 된다. limx0F(x)G(x)\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{F' ( x )}{G' ( x )}=limx0f(x)×g(x)sinxf(x){g(x)sinx+g(x)cosx}=14\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{f' ( x ) \times g ( x ) \sin x}{f ( x ) \left\{ g' ( x ) \sin x + g ( x ) \cos x \right\}} = \frac{1}{4} \cdots \text{①} 에서 x0x \rightarrow 0일 때 (분자)0( \text{분자} ) \rightarrow 0이므로 (분모)0( \text{분모} ) \rightarrow 0이어야 한다. 따라서 f(0)g(0)=0f ( 0 ) g ( 0 ) = 0이다.

i)i ) f(0)=a0f ( 0 ) = a \not = 0일 때 g(0)=0g ( 0 ) = 0 f(x)=(x1)3(xa)f ( x ) = ( x - 1 ) ^{3} ( x - a )이고 f(x)=3(x1)2(xa)+(x1)3=(x1)2(4x3a1)f' ( x ) = 3 ( x - 1 ) ^{2} ( x - a ) + ( x - 1 ) ^{3} = ( x - 1 ) ^{2} ( 4 x - 3 a - 1 )이고 f(x)f(x)=(x1)2(4x3a1)(x1)3(xa)=4x3a1(x1)(xa)\displaystyle \frac{f' ( x )}{f ( x )} = \frac{{( x - 1 ) ^{2} ( 4 x - 3 a - 1 )}}{( x - 1 ) ^{3} ( x - a )} = \frac{4 x - 3 a - 1}{( x - 1 ) ( x - a )} limx0F(x)G(x)\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{F' ( x )}{G' ( x )}=limx0(4x3a1)g(x)sinx(x1)(xa){g(x)sinx+g(x)cosx}\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{( 4 x - 3 a - 1 ) g ( x ) \sin x}{( x - 1 ) ( x - a ) \left\{ g' ( x ) \sin x + g ( x ) \cos x \right\}} =limx04x3a1(x1)(xa)sinxxxg(x)g(x)sinx+g(x)cosx=014\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{4 x - 3 a - 1}{( x - 1 ) ( x - a )} \cdot \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{xg ( x )}{g' ( x ) \sin x + g ( x ) \cos x} = 0 \not = \frac{1}{4} 이 되어 모순이다. 따라서 f(0)=0f ( 0 ) = 0이다.

ii)ii ) f(0)=0f ( 0 ) = 0일 때 f(x)=(x1)3xf ( x ) = ( x - 1 ) ^{3} x이다. xx에 대해 미분하면 f(x)=3(x1)2x+(x1)3f' ( x ) = 3 ( x - 1 ) ^{2} x + ( x - 1 ) ^{3}이므로 f(x)f(x)=3(x1)2x+(x1)3(x1)3x=4x1x(x1)\displaystyle \frac{f' ( x )}{f ( x )} = \frac{3 ( x - 1 ) ^{2} x + ( x - 1 ) ^{3}}{( x - 1 ) ^{3} x} = \frac{4 x - 1}{x ( x - 1 )}이다. 위의 식을 \text{①}에 대입하면 limx0F(x)G(x)\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{F' ( x )}{G' ( x )}=limx0(4x1)g(x)sinxx(x1){g(x)sinx+g(x)cosx}\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{( 4 x - 1 ) g ( x ) \sin x}{x ( x - 1 ) \left\{ g' ( x ) \sin x + g ( x ) \cos x \right\}} =limx04x1x1sinxxg(x)g(x)sinx+g(x)cosx=14\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{4 x - 1}{x - 1} \cdot \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{g ( x )}{g' ( x ) \sin x + g ( x ) \cos x} = \frac{1}{4} 에서 g(0)=0g ( 0 ) = 0이다. g(x)=xk(x)g ( x ) = xk ( x )라 하면 g(x)=k(x)+xk(x)g' ( x ) = k ( x ) + xk' ( x )이므로 limx0F(x)G(x)\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{F' ( x )}{G' ( x )} =limx04x1x1sinxxxk(x){k(x)+xk(x)}sinx+xk(x)cosx=14\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{4 x - 1}{x - 1} \cdot \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{x k ( x )}{\left\{ k ( x ) + xk' ( x ) \right\} \sin x + x k ( x ) \cos x} = \frac{1}{4} 에서 k(0)=0k ( 0 ) = 0이다. 따라서 g(x)=xmp(x)(m2인자연수)g ( x ) = x ^{m} p ( x ) ( m \geq 2 \text{인} \text{자연수} )라 하면 g(x)=mxm1p(x)+xmp(x)g' ( x ) = m x ^{m - 1} p ( x ) + x ^{m} p' ( x )이므로 limx0F(x)G(x)\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{F' ( x )}{G' ( x )}=limx04x1x1sinxxxmp(x){mxm1p(x)+xmp(x)}sinx+xmp(x)cosx\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{4 x - 1}{x - 1} \cdot \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{x ^{m} p ( x )}{\left\{ mx ^{m - 1} p ( x ) + x ^{m} p' ( x ) \right\} \sin x + x ^{m} p ( x ) \cos x} =limx04x1x1sinxxxm1p(x){mxm1p(x)+xmp(x)}sinxx+xm1p(x)cosx\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 0} \frac{4 x - 1}{x - 1} \cdot \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{x ^{m - 1} p ( x )}{\left\{ mx ^{m - 1} p ( x ) + x ^{m} p' ( x ) \right\} \frac{\sin x}{x} + x ^{m - 1} p ( x ) \cos x} =111m+1\displaystyle = 1 \cdot 1 \cdot \frac{1}{m + 1}=1m+1\displaystyle = \frac{1}{m + 1} 이므로 조건으로부터 m=3m = 3이다. 따라서 g(x)=x3g ( x ) = x ^{3}이다. 그러므로 f(3)+g(3)f ( 3 ) + g ( 3 )=323+33=51= 3 \cdot 2 ^{3} + 3 ^{3} = 51이다.

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