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[문항 1] 제시문 (ㄱ)~(ㄹ)을 읽고 논제에 답하시오. (160점)

(ㄱ) 다음 조건을 만족시키는 모든 실수 k\displaystyle k의 집합을 A\displaystyle A라고 하자.

모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 log⁡(12k−5){−(k−11)x2+(k−11)x+2}\displaystyle \log_{(\frac12k-5)}\{-(k-11)x^2+(k-11)x+2\}가 정의된다.

(ㄴ) 제시문 (ㄱ)의 집합 A\displaystyle A에 대하여 집합 B\displaystyle B를 다음과 같이 정의한다.

B={(m,n)  |  13m2+n∈A,  n>1,  m과 n은 정수}\displaystyle B=\left\{(m,n)\;\middle|\;\frac13m^2+n\in A,\;n>1,\;m\text{과 }n\text{은 정수}\right\}

(ㄷ) 제시문 (ㄴ)의 집합 B\displaystyle B에 대하여 집합 C\displaystyle C를 다음과 같이 정의한다.

C={(m,n)∣(m,n)∈B이고, xn=m을 만족하는 실수 x가 존재한다.}\displaystyle C=\{(m,n)\mid(m,n)\in B\text{이고, }x^n=m\text{을 만족하는 실수 }x\text{가 존재한다.}\}

(ㄹ) [a\displaystyle a의 n\displaystyle n제곱근] n\displaystyle n이 2\displaystyle 2 이상의 정수일 때, n\displaystyle n제곱하여 실수 a\displaystyle a가 되는 수, 즉 xn=a\displaystyle x^n=a를 만족시키는 수 x\displaystyle x를 a\displaystyle a의 n\displaystyle n제곱근이라고 한다.

논제. (160점) 제시문 (ㄷ)의 집합 C\displaystyle C의 원소의 개수를 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+40점

모든 실수 x\displaystyle x에 대해, log⁡(12k−5)(−(k−11)x2+(k−11)x+2)\displaystyle \log_{(\frac12k-5)}(-(k-11)x^2+(k-11)x+2)가 정의되기 위한 실수 k\displaystyle k는 ① 12k−5>0,  12k−5≠1\displaystyle \frac12k-5>0,\;\frac12k-5\ne1, ② 모든 실수 x\displaystyle x에 대해, −(k−11)x2+(k−11)x+2>0\displaystyle -(k-11)x^2+(k-11)x+2>0이 성립해야 한다.① 12k−5>0,  12k−5≠1  ⇒  k>10,  k≠12\displaystyle \frac12k-5>0,\;\frac12k-5\ne1\;\Rightarrow\;k>10,\;k\ne12② ㉠ k≠11\displaystyle k\ne11일 때−(k−11)>0\displaystyle -(k-11)>0이고 D=(k−11)2−4(−2(k−11))=(k−3)(k−11)<0\displaystyle D=(k-11)^2-4(-2(k-11))=(k-3)(k-11)<0이므로 3<k<11\displaystyle 3<k<11이다.

+20점

㉡ k=11\displaystyle k=11일 때−(k−11)x2+(k−11)x+2=2>0\displaystyle -(k-11)x^2+(k-11)x+2=2>0이 성립한다.따라서, ㉠, ㉡에 의해 이를 만족하는 실수 k\displaystyle k의 범위는 3<k≤11\displaystyle 3<k\leq11이다.①, ②에 의해, 집합 A={k∣10<k≤11}\displaystyle A=\{k\mid10<k\leq11\}이다.

+50점

제시문 (ㄴ)의 집합 B\displaystyle B의 정의에 의해, n>1\displaystyle n>1이면서 집합 B\displaystyle B의 원소인 정수의 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)은10<13m2+n≤11⇒10−13m2<n≤11−13m2\displaystyle 10<\frac13m^2+n\leq11\quad\Rightarrow\quad10-\frac13m^2<n\leq11-\frac13m^2을 만족시키므로, 집합 B\displaystyle B에 속하는 원소를 모두 나열해보면 다음과 같다.m=0:10<n≤11⇒n=11\displaystyle m=0:\quad10<n\leq11\quad\Rightarrow\quad n=11m=±1:293<n≤323⇒n=10\displaystyle m=\pm1:\quad\frac{29}{3}<n\leq\frac{32}{3}\quad\Rightarrow\quad n=10m=±2:263<n≤293⇒n=9\displaystyle m=\pm2:\quad\frac{26}{3}<n\leq\frac{29}{3}\quad\Rightarrow\quad n=9m=±3:7<n≤8⇒n=8\displaystyle m=\pm3:\quad7<n\leq8\quad\Rightarrow\quad n=8m=±4:143<n≤173⇒n=5\displaystyle m=\pm4:\quad\frac{14}{3}<n\leq\frac{17}{3}\quad\Rightarrow\quad n=5m=±5:53<n≤83⇒n=2\displaystyle m=\pm5:\quad\frac53<n\leq\frac83\quad\Rightarrow\quad n=2한편, 제시문 (ㄷ)의 집합 C\displaystyle C의 정의에 의해, 순서쌍 (m,n)∈B\displaystyle (m,n)\in B이 집합 C\displaystyle C의 원소이기 위해서는, m\displaystyle m의 n\displaystyle n제곱근 중 실수가 존재해야 한다.

+40점

㉠ m=0\displaystyle m=0인 경우0\displaystyle 0의 n\displaystyle n제곱근은 임의의 정수 n\displaystyle n에 대해서 0\displaystyle 0이므로, (0,11)\displaystyle (0,11)은 C\displaystyle C의 원소이다.㉡ m≠0\displaystyle m\ne0인 경우ⓐ n\displaystyle n이 짝수일 때n\displaystyle n이 짝수일 경우, m\displaystyle m의 n\displaystyle n제곱근 중 실수는 m>0\displaystyle m>0일 때 존재한다. 따라서, 집합 B\displaystyle B에 속하는 정수의 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)중, n\displaystyle n이 짝수이면서 n>1\displaystyle n>1인 경우를 생각해보면 다음과 같다.n=2\displaystyle n=2일 때, m=5  ⇒  (5,2)\displaystyle m=5\;\Rightarrow\;(5,2)n=8\displaystyle n=8일 때, m=3  ⇒  (3,8)\displaystyle m=3\;\Rightarrow\;(3,8)n=10\displaystyle n=10일 때, m=1  ⇒  (1,10)\displaystyle m=1\;\Rightarrow\;(1,10)ⓑ n\displaystyle n이 홀수일 때n\displaystyle n이 홀수일 경우, m\displaystyle m의 n\displaystyle n제곱근 중 실수는 유일하게 하나 존재한다. 따라서, 집합 B\displaystyle B에 속하는 정수의 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)중, n\displaystyle n이 홀수인 경우를 생각해보면 다음과 같다.n=5\displaystyle n=5일 때, m=±4  ⇒  (−4,5),  (4,5)\displaystyle m=\pm4\;\Rightarrow\;(-4,5),\;(4,5)n=9\displaystyle n=9일 때, m=±2  ⇒  (−2,9),  (2,9)\displaystyle m=\pm2\;\Rightarrow\;(-2,9),\;(2,9)

+10점

따라서, 집합 C\displaystyle C의 원소의 개수는 8\displaystyle 8개이다.

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