미적분Ⅱ여러 가지 미분법수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

역함수 합성 미분가능

문제

함수 f(x)f \left( x \right)=x3x= x ^{3} - x와 실수 전체의 집합에서 미분가능한 역함수가 존재하는 삼차함수 g(x)g \left( x \right)=ax3+x2+bx+1= ax ^{3} + x ^{2} + bx + 1이 있다. 함수 g(x)g \left( x \right)의 역함수 g1(x)g ^{- 1} \left( x \right)에 대하여 함수 h(x)h \left( x \right)h(x)={(fg1)(x)(x<0또는x>1)1πsinπx(0x1)\displaystyle h \left( x \right) = {\begin{cases} \left( f \circ g ^{- 1} \right) \left( x \right) & \left( x < 0 \text{또는} x > 1 \right) \\ \begin{aligned} \\ \frac{1}{\pi} \sin \pi x \end{aligned} & \begin{aligned} \\ \left( 0 \leq x \leq 1 \right) \end{aligned} \end{cases}} 이라 하자. 함수 h(x)h \left( x \right)가 실수 전체의 집합에서 미분가능할 때, g(a+b)g \left( a + b \right)의 값을 구하시오. (단, a,ba , b는 상수이다.) [4점]

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15

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해설

[출제의도] 역함수의 미분법을 활용하여 문제해결하기 함수 h(x)h \left( x \right)가 실수 전체의 집합에서 미분가능하므로 연속함수이다. 함수 h(x)h \left( x \right)xx=0= 0에서 연속이므로 h(0)h \left( 0 \right)=limx0h(x)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 0 -} {} h \left( x \right)=limx0+h(x)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 0 +} {} h \left( x \right)에서 h(0)h \left( 0 \right)=0= 0이고 f(g1(0))f \left( g ^{- 1} \left( 0 \right) \right)=0= 0 g1(0)g ^{- 1} \left( 0 \right)=α= \alpha라 하면 f(α)f \left( \alpha \right)=0= 0, g(α)g \left( \alpha \right)=0= 0 f(α)f \left( \alpha \right)=0= 0에서 α\alpha=1= \mathit{-} 1 또는 α\alpha=0= 0 또는 α\alpha=1= 1 \cdots \cdots ㉠ 함수 h(x)h \left( x \right)xx=1= 1에서 연속이므로 h(1)h \left( 1 \right)=limx1h(x)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 1 -} {} h \left( x \right)=limx1+h(x)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 1 +} {} h \left( x \right)에서 h(1)h \left( 1 \right)=0= 0이고 f(g1(1))f \left( g ^{- 1} \left( 1 \right) \right)=0= 0 g(0)g \left( 0 \right)=1= 1이므로 g1(1)g ^{- 1} \left( 1 \right)=0= 0이고 f(0)f \left( 0 \right)=0= 0이므로 f(g1(1))f \left( g ^{- 1} \left( 1 \right) \right)=0= 0은 성립한다. 함수 h(x)h \left( x \right)xx=0= 0에서 미분가능하므로 limx0h(x)h(0)x0\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 0 -} {} \frac{h \left( x \right) - h \left( 0 \right)}{x - 0}==limx0+h(x)h(0)x0\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 0 +} {} \frac{h \left( x \right) - h \left( 0 \right)}{x - 0}에서 limx0f(g1(x))x\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 0 -} {} \frac{f \left( g ^{- 1} \left( x \right) \right)}{x}==limx0+1πsinπxx\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 0 +} {} \frac{\frac{1}{\pi} \sin \pi x}{x}=1= 1 f(g1(0))(g1)(0)f' \left( g ^{- 1} \left( 0 \right) \right) \left( g ^{- 1} \right)' \left( 0 \right)=1= 1 g1(0)g ^{- 1} \left( 0 \right)=α= \alpha이고 (g1)(0)\left( g ^{- 1} \right)' \left( 0 \right)=1g(α)\displaystyle = \frac{\mathit{1}}{g' \left( \alpha \right)}이므로 f(α)×1g(α)\displaystyle f' \left( \alpha \right) \times \frac{1}{g' \left( \alpha \right)}=1= 1 f(α)f' \left( \alpha \right)=g(α)= g' \left( \alpha \right) 3α213 \alpha ^{2} - 1=3aα2+2α+b= 3 a \alpha ^{2} + 2 \alpha + b \cdots \cdots ㉡ 함수 h(x)h \left( x \right)x=1x = 1에서 미분가능하므로 limx1h(x)h(1)x1\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1 -} {} \frac{h \left( x \right) - h \left( 1 \right)}{x - 1}==limx1+h(x)h(1)x1\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1 +} {} \frac{h \left( x \right) - h \left( 1 \right)}{x - 1}에서 limx11πsinπxx1\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1 -} {} \frac{\frac{1}{\pi} \sin \pi x}{x - 1}==limx1+f(g1(x))x1\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1 +} {} \frac{f \left( g ^{- 1} \left( x \right) \right)}{x - 1} limx11πsinπxx1\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1 -} {} \frac{\frac{1}{\pi} \sin \pi x}{x - 1}에서 x1x - 1=t= t라 하면 limx11πsinπxx1\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1 -} {} \frac{\frac{1}{\pi} \sin \pi x}{x - 1}=limt0sinπtπt\displaystyle = \lim\limits _{t \rightarrow 0 -} {} \frac{- \sin \pi t}{\pi t}=1= \mathit{-} 1 limx1+f(g1(x))x1\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1 +} {} \frac{f \left( g ^{- 1} \left( x \right) \right)}{x - 1}=1= \mathit{-} 1에서 f(g1(1))(g1)(1)f' \left( g ^{- 1} \left( 1 \right) \right) \left( g ^{- 1} \right)' \left( 1 \right)=1= \mathit{-} 1 g1(1)g ^{- 1} \left( 1 \right)=0= 0이고 (g1)(1)\left( g ^{- 1} \right)' \left( 1 \right)=1g(0)\displaystyle = \frac{1}{g' \left( 0 \right)}이므로 f(0)×1g(0)\displaystyle f' \left( 0 \right) \times \frac{1}{g' \left( 0 \right)}=1= \mathit{-} 1 f(0)f' \left( 0 \right)=1= \mathit{-} 1이므로 g(0)g' \left( 0 \right)=b= b=1= 1 삼차함수 g(x)g \left( x \right)는 역함수 g1(x)g ^{- 1} \left( x \right)를 가지고 g(0)g' \left( 0 \right)=1= 1>0> 0이므로 증가함수이다. g(α)g \left( \alpha \right)=0= 0, g(0)g \left( 0 \right)=1= 1이므로 α<0\alpha < 0 ㉠에 의하여 α\alpha=1= \mathit{-} 1 ㉡에 의하여 aa=1= 1 g(x)g \left( x \right)=x3+x2+x+1= x ^{3} + x ^{2} + x + 1 따라서 g(a+b)g \left( a + b \right)=g(2)= g \left( 2 \right)=15= 15

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