+30점 · f(x)는 x=0에서 연속이다. f(x)는 x<0에서 기울기가 −(a+4)2인 직선이므로 닫힌구간 [−k,0]에서 f(−k)가 최대이다. 한편, 함수 y=x3−ax2−a2x+4a+2a2는 x3의 계수가 양수이고, x=a 및 x=−3a에서 극값을 가진다. 그러므로 x≥0에서 f(x)의 함숫값은 a=0인 경우에는 증가하고 a=0인 경우에는 감소하다가 증가한다. 즉, 닫힌구간 [0,k]에서 f(x)의 최댓값은 f(0)과 f(k) 중 하나이다. 따라서 닫힌구간 [−k,k]에서 f(x)의 최댓값은 f(−k)와 f(k) 중 하나이다.
이때 f(−k)=(2+k)a2+(8k+4)a+16k를 g1(a), f(k)=(2−k)a2+(4−k2)a+k3을 g2(a)라고 하면, g(a)={g1(a)g2(a)(g1(a)≥g2(a))(g1(a)<g2(a))이다.f(x)는 x=0에서 연속이다. f(x)는 x<0에서 기울기가 −(a+4)2인 직선이므로 닫힌구간 [−k,0]에서 f(−k)가 최대이다. 한편, 함수 y=x3−ax2−a2x+4a+2a2는 x3의 계수가 양수이고, x=a 및 x=−3a에서 극값을 가진다. 그러므로 x≥0에서 f(x)의 함숫값은 a=0인 경우에는 증가하고 a=0인 경우에는 감소하다가 증가한다. 즉, 닫힌구간 [0,k]에서 f(x)의 최댓값은 f(0)과 f(k) 중 하나이다. 따라서 닫힌구간 [−k,k]에서 f(x)의 최댓값은 f(−k)와 f(k) 중 하나이다.이때 f(−k)=(2+k)a2+(8k+4)a+16k를 g1(a), f(k)=(2−k)a2+(4−k2)a+k3을 g2(a)라고 하면, g(a)={g1(a)g2(a)(g1(a)≥g2(a))(g1(a)<g2(a))이다.
+20점 · 함수 g1(a)은 아래로 볼록한 이차함수이므로 꼭짓점 (v,g1(v))에서 최솟값 g1(v)를 갖는다.
한편 g1(a)−g2(a)=2ka2+(k2+8k)a+16k−k3은 a2의 계수가 양수인 이차함수이다.
(1) g1(a)−g2(a)=0인 a가 없거나 중근을 가질 경우의 k에 대하여 모든 실수 a에서 g1(a)−g2(a)≥0이므로 g(a)=g1(a)가 되어 g1(v)=m이고, 이러한 a는 v뿐이다. 따라서 k∈A이다.함수 g1(a)은 아래로 볼록한 이차함수이므로 꼭짓점 (v,g1(v))에서 최솟값 g1(v)를 갖는다.한편 g1(a)−g2(a)=2ka2+(k2+8k)a+16k−k3은 a2의 계수가 양수인 이차함수이다.(1) g1(a)−g2(a)=0인 a가 없거나 중근을 가질 경우의 k에 대하여 모든 실수 a에서 g1(a)−g2(a)≥0이므로 g(a)=g1(a)가 되어 g1(v)=m이고, 이러한 a는 v뿐이다. 따라서 k∈A이다.
+50점 · (2) 이차방정식 g1(a)−g2(a)=0가 서로 다른 두 근 α,β(α<β)를 가지게 하는 k에 대하여 g(a)={g1(a)g2(a)(a<α,a>β)(α≤a≤β)이다.
g(a)≥g1(a)이므로, v<α이거나 v>β인 경우에는 g(a)가 v에서 유일한 최솟값을 가지게 되어 k∈A이다. 따라서 α<v<β인 경우만 확인하면 되고, 이때 함수 g(a)는 a<α에서 감소하고 a>β에서 증가하므로 g(a)=m을 만족하는 a는 구간 [α,β] 안에서만 존재한다.
함수 g2(a)가 아래로 볼록일 경우 최솟값을 갖는 a의 값은 두 개 이상 존재할 수 없다. 따라서 g2(a)는 위로 볼록이거나 일차함수이어야 한다.(2) 이차방정식 g1(a)−g2(a)=0가 서로 다른 두 근 α,β(α<β)를 가지게 하는 k에 대하여 g(a)={g1(a)g2(a)(a<α,a>β)(α≤a≤β)이다.g(a)≥g1(a)이므로, v<α이거나 v>β인 경우에는 g(a)가 v에서 유일한 최솟값을 가지게 되어 k∈A이다. 따라서 α<v<β인 경우만 확인하면 되고, 이때 함수 g(a)는 a<α에서 감소하고 a>β에서 증가하므로 g(a)=m을 만족하는 a는 구간 [α,β] 안에서만 존재한다.함수 g2(a)가 아래로 볼록일 경우 최솟값을 갖는 a의 값은 두 개 이상 존재할 수 없다. 따라서 g2(a)는 위로 볼록이거나 일차함수이어야 한다.
+30점 · (i) g2(a)가 일차함수이면 k=2이고 g2(a)=8이다. 이때 α=−3,β=−2이므로 −3≤a≤2인 모든 a에 대하여 최솟값 g2(a)=8을 가진다. 2는 A에 속하지 않는다.(i) g2(a)가 일차함수이면 k=2이고 g2(a)=8이다. 이때 α=−3,β=−2이므로 −3≤a≤2인 모든 a에 대하여 최솟값 g2(a)=8을 가진다. 2는 A에 속하지 않는다.Correction. 두 교점은 a=−3,−2이므로 최솟값을 갖는 구간은 −3≤a≤−2이다. 원문 구간의 오른쪽 끝점 2에는 음의 부호가 빠졌다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
+50점 · (ii) g2(a)가 위로 볼록인 경우 g2(α)=g2(β)일 때만 g(a)=m인 a의 값을 α,β로 두 개 이상 가질 수 있고, 이때 g1(α)=g1(β)이기도 하므로 두 함수 g1(a)와 g2(a)는 v에서 극솟값을 갖는다. g2′(a)=2(2−k)a+4−k2에서 g2′(v)=0이므로 v=−22+k이고,
g1′(v)=2(2+k)v+(8k+4)에서 −(2+k)2+(8k+4)=0, 즉 k(k−4)=0이고 k=4이다. 이때 α=−6,β=0에서 최솟값 64를 가지므로 4는 A에 속하지 않는다.
따라서 (1), (2)(i), (2)(ii)에 의해 A에 속하지 않는 양수 k는 2와 4이다.(ii) g2(a)가 위로 볼록인 경우 g2(α)=g2(β)일 때만 g(a)=m인 a의 값을 α,β로 두 개 이상 가질 수 있고, 이때 g1(α)=g1(β)이기도 하므로 두 함수 g1(a)와 g2(a)는 v에서 극솟값을 갖는다. g2′(a)=2(2−k)a+4−k2에서 g2′(v)=0이므로 v=−22+k이고,Correction. 이 경우 g1은 아래로 볼록하고 g2는 위로 볼록하므로, 공통 축 a=v에서 g1은 극솟값을, g2는 극댓값을 갖는다. 두 함수가 모두 극솟값을 갖는다는 서술은 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.g1′(v)=2(2+k)v+(8k+4)에서 −(2+k)2+(8k+4)=0, 즉 k(k−4)=0이고 k=4이다. 이때 α=−6,β=0에서 최솟값 64를 가지므로 4는 A에 속하지 않는다.따라서 (1), (2)(i), (2)(ii)에 의해 A에 속하지 않는 양수 k는 2와 4이다.