수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 4번

문제

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+30점 · f(x)\displaystyle f(x)x=0\displaystyle x=0에서 연속이다. f(x)\displaystyle f(x)x<0\displaystyle x<0에서 기울기가 (a+4)2\displaystyle -(a+4)^2인 직선이므로 닫힌구간 [k,0]\displaystyle [-k,0]에서 f(k)\displaystyle f(-k)가 최대이다. 한편, 함수 y=x3ax2a2x+4a+2a2\displaystyle y=x^3-ax^2-a^2x+4a+2a^2x3\displaystyle x^3의 계수가 양수이고, x=a\displaystyle x=ax=a3\displaystyle x=-\frac a3에서 극값을 가진다. 그러므로 x0\displaystyle x\geq0에서 f(x)\displaystyle f(x)의 함숫값은 a=0\displaystyle a=0인 경우에는 증가하고 a0\displaystyle a\ne0인 경우에는 감소하다가 증가한다. 즉, 닫힌구간 [0,k]\displaystyle [0,k]에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값은 f(0)\displaystyle f(0)f(k)\displaystyle f(k) 중 하나이다. 따라서 닫힌구간 [k,k]\displaystyle [-k,k]에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값은 f(k)\displaystyle f(-k)f(k)\displaystyle f(k) 중 하나이다. 이때 f(k)=(2+k)a2+(8k+4)a+16k\displaystyle f(-k)=(2+k)a^2+(8k+4)a+16kg1(a)\displaystyle g_1(a), f(k)=(2k)a2+(4k2)a+k3\displaystyle f(k)=(2-k)a^2+(4-k^2)a+k^3g2(a)\displaystyle g_2(a)라고 하면, g(a)={g1(a)(g1(a)g2(a))g2(a)(g1(a)<g2(a))\displaystyle g(a)=\begin{cases}g_1(a)&(g_1(a)\geq g_2(a))\\g_2(a)&(g_1(a)<g_2(a))\end{cases}이다.

f(x)\displaystyle f(x)x=0\displaystyle x=0에서 연속이다. f(x)\displaystyle f(x)x<0\displaystyle x<0에서 기울기가 (a+4)2\displaystyle -(a+4)^2인 직선이므로 닫힌구간 [k,0]\displaystyle [-k,0]에서 f(k)\displaystyle f(-k)가 최대이다. 한편, 함수 y=x3ax2a2x+4a+2a2\displaystyle y=x^3-ax^2-a^2x+4a+2a^2x3\displaystyle x^3의 계수가 양수이고, x=a\displaystyle x=ax=a3\displaystyle x=-\frac a3에서 극값을 가진다. 그러므로 x0\displaystyle x\geq0에서 f(x)\displaystyle f(x)의 함숫값은 a=0\displaystyle a=0인 경우에는 증가하고 a0\displaystyle a\ne0인 경우에는 감소하다가 증가한다. 즉, 닫힌구간 [0,k]\displaystyle [0,k]에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값은 f(0)\displaystyle f(0)f(k)\displaystyle f(k) 중 하나이다. 따라서 닫힌구간 [k,k]\displaystyle [-k,k]에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값은 f(k)\displaystyle f(-k)f(k)\displaystyle f(k) 중 하나이다.이때 f(k)=(2+k)a2+(8k+4)a+16k\displaystyle f(-k)=(2+k)a^2+(8k+4)a+16kg1(a)\displaystyle g_1(a), f(k)=(2k)a2+(4k2)a+k3\displaystyle f(k)=(2-k)a^2+(4-k^2)a+k^3g2(a)\displaystyle g_2(a)라고 하면, g(a)={g1(a)(g1(a)g2(a))g2(a)(g1(a)<g2(a))\displaystyle g(a)=\begin{cases}g_1(a)&(g_1(a)\geq g_2(a))\\g_2(a)&(g_1(a)<g_2(a))\end{cases}이다.

+20점 · 함수 g1(a)\displaystyle g_1(a)은 아래로 볼록한 이차함수이므로 꼭짓점 (v,g1(v))\displaystyle (v,g_1(v))에서 최솟값 g1(v)\displaystyle g_1(v)를 갖는다. 한편 g1(a)g2(a)=2ka2+(k2+8k)a+16kk3\displaystyle g_1(a)-g_2(a)=2ka^2+(k^2+8k)a+16k-k^3a2\displaystyle a^2의 계수가 양수인 이차함수이다. (1) g1(a)g2(a)=0\displaystyle g_1(a)-g_2(a)=0a\displaystyle a가 없거나 중근을 가질 경우의 k\displaystyle k에 대하여 모든 실수 a\displaystyle a에서 g1(a)g2(a)0\displaystyle g_1(a)-g_2(a)\geq0이므로 g(a)=g1(a)\displaystyle g(a)=g_1(a)가 되어 g1(v)=m\displaystyle g_1(v)=m이고, 이러한 a\displaystyle av\displaystyle v뿐이다. 따라서 kA\displaystyle k\in A이다.

함수 g1(a)\displaystyle g_1(a)은 아래로 볼록한 이차함수이므로 꼭짓점 (v,g1(v))\displaystyle (v,g_1(v))에서 최솟값 g1(v)\displaystyle g_1(v)를 갖는다.한편 g1(a)g2(a)=2ka2+(k2+8k)a+16kk3\displaystyle g_1(a)-g_2(a)=2ka^2+(k^2+8k)a+16k-k^3a2\displaystyle a^2의 계수가 양수인 이차함수이다.(1) g1(a)g2(a)=0\displaystyle g_1(a)-g_2(a)=0a\displaystyle a가 없거나 중근을 가질 경우의 k\displaystyle k에 대하여 모든 실수 a\displaystyle a에서 g1(a)g2(a)0\displaystyle g_1(a)-g_2(a)\geq0이므로 g(a)=g1(a)\displaystyle g(a)=g_1(a)가 되어 g1(v)=m\displaystyle g_1(v)=m이고, 이러한 a\displaystyle av\displaystyle v뿐이다. 따라서 kA\displaystyle k\in A이다.

+50점 · (2) 이차방정식 g1(a)g2(a)=0\displaystyle g_1(a)-g_2(a)=0가 서로 다른 두 근 α,β  (α<β)\displaystyle \alpha,\beta\;(\alpha<\beta)를 가지게 하는 k\displaystyle k에 대하여 g(a)={g1(a)(a<α,  a>β)g2(a)(αaβ)\displaystyle g(a)=\begin{cases}g_1(a)&(a<\alpha,\;a>\beta)\\g_2(a)&(\alpha\leq a\leq\beta)\end{cases}이다. g(a)g1(a)\displaystyle g(a)\geq g_1(a)이므로, v<α\displaystyle v<\alpha이거나 v>β\displaystyle v>\beta인 경우에는 g(a)\displaystyle g(a)v\displaystyle v에서 유일한 최솟값을 가지게 되어 kA\displaystyle k\in A이다. 따라서 α<v<β\displaystyle \alpha<v<\beta인 경우만 확인하면 되고, 이때 함수 g(a)\displaystyle g(a)a<α\displaystyle a<\alpha에서 감소하고 a>β\displaystyle a>\beta에서 증가하므로 g(a)=m\displaystyle g(a)=m을 만족하는 a\displaystyle a는 구간 [α,β]\displaystyle [\alpha,\beta] 안에서만 존재한다. 함수 g2(a)\displaystyle g_2(a)가 아래로 볼록일 경우 최솟값을 갖는 a\displaystyle a의 값은 두 개 이상 존재할 수 없다. 따라서 g2(a)\displaystyle g_2(a)는 위로 볼록이거나 일차함수이어야 한다.

(2) 이차방정식 g1(a)g2(a)=0\displaystyle g_1(a)-g_2(a)=0가 서로 다른 두 근 α,β  (α<β)\displaystyle \alpha,\beta\;(\alpha<\beta)를 가지게 하는 k\displaystyle k에 대하여 g(a)={g1(a)(a<α,  a>β)g2(a)(αaβ)\displaystyle g(a)=\begin{cases}g_1(a)&(a<\alpha,\;a>\beta)\\g_2(a)&(\alpha\leq a\leq\beta)\end{cases}이다.g(a)g1(a)\displaystyle g(a)\geq g_1(a)이므로, v<α\displaystyle v<\alpha이거나 v>β\displaystyle v>\beta인 경우에는 g(a)\displaystyle g(a)v\displaystyle v에서 유일한 최솟값을 가지게 되어 kA\displaystyle k\in A이다. 따라서 α<v<β\displaystyle \alpha<v<\beta인 경우만 확인하면 되고, 이때 함수 g(a)\displaystyle g(a)a<α\displaystyle a<\alpha에서 감소하고 a>β\displaystyle a>\beta에서 증가하므로 g(a)=m\displaystyle g(a)=m을 만족하는 a\displaystyle a는 구간 [α,β]\displaystyle [\alpha,\beta] 안에서만 존재한다.함수 g2(a)\displaystyle g_2(a)가 아래로 볼록일 경우 최솟값을 갖는 a\displaystyle a의 값은 두 개 이상 존재할 수 없다. 따라서 g2(a)\displaystyle g_2(a)는 위로 볼록이거나 일차함수이어야 한다.

+30점 · (i) g2(a)\displaystyle g_2(a)가 일차함수이면 k=2\displaystyle k=2이고 g2(a)=8\displaystyle g_2(a)=8이다. 이때 α=3,  β=2\displaystyle \alpha=-3,\;\beta=-2이므로 3a2\displaystyle -3\leq a\leq2인 모든 a\displaystyle a에 대하여 최솟값 g2(a)=8\displaystyle g_2(a)=8을 가진다. 2\displaystyle 2A\displaystyle A에 속하지 않는다.

(i) g2(a)\displaystyle g_2(a)가 일차함수이면 k=2\displaystyle k=2이고 g2(a)=8\displaystyle g_2(a)=8이다. 이때 α=3,  β=2\displaystyle \alpha=-3,\;\beta=-2이므로 3a2\displaystyle -3\leq a\leq2인 모든 a\displaystyle a에 대하여 최솟값 g2(a)=8\displaystyle g_2(a)=8을 가진다. 2\displaystyle 2A\displaystyle A에 속하지 않는다.Correction. 두 교점은 a=3,2\displaystyle a=-3,-2이므로 최솟값을 갖는 구간은 3a2\displaystyle -3\leq a\leq-2이다. 원문 구간의 오른쪽 끝점 2\displaystyle 2에는 음의 부호가 빠졌다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+50점 · (ii) g2(a)\displaystyle g_2(a)가 위로 볼록인 경우 g2(α)=g2(β)\displaystyle g_2(\alpha)=g_2(\beta)일 때만 g(a)=m\displaystyle g(a)=ma\displaystyle a의 값을 α,β\displaystyle \alpha,\beta로 두 개 이상 가질 수 있고, 이때 g1(α)=g1(β)\displaystyle g_1(\alpha)=g_1(\beta)이기도 하므로 두 함수 g1(a)\displaystyle g_1(a)g2(a)\displaystyle g_2(a)v\displaystyle v에서 극솟값을 갖는다. g2(a)=2(2k)a+4k2\displaystyle g_2^{\prime}(a)=2(2-k)a+4-k^2에서 g2(v)=0\displaystyle g_2^{\prime}(v)=0이므로 v=2+k2\displaystyle v=-\frac{2+k}{2}이고, g1(v)=2(2+k)v+(8k+4)\displaystyle g_1^{\prime}(v)=2(2+k)v+(8k+4)에서 (2+k)2+(8k+4)=0\displaystyle -(2+k)^2+(8k+4)=0, 즉 k(k4)=0\displaystyle k(k-4)=0이고 k=4\displaystyle k=4이다. 이때 α=6,  β=0\displaystyle \alpha=-6,\;\beta=0에서 최솟값 64\displaystyle 64를 가지므로 4\displaystyle 4A\displaystyle A에 속하지 않는다. 따라서 (1), (2)(i), (2)(ii)에 의해 A\displaystyle A에 속하지 않는 양수 k\displaystyle k2\displaystyle 24\displaystyle 4이다.

(ii) g2(a)\displaystyle g_2(a)가 위로 볼록인 경우 g2(α)=g2(β)\displaystyle g_2(\alpha)=g_2(\beta)일 때만 g(a)=m\displaystyle g(a)=ma\displaystyle a의 값을 α,β\displaystyle \alpha,\beta로 두 개 이상 가질 수 있고, 이때 g1(α)=g1(β)\displaystyle g_1(\alpha)=g_1(\beta)이기도 하므로 두 함수 g1(a)\displaystyle g_1(a)g2(a)\displaystyle g_2(a)v\displaystyle v에서 극솟값을 갖는다. g2(a)=2(2k)a+4k2\displaystyle g_2^{\prime}(a)=2(2-k)a+4-k^2에서 g2(v)=0\displaystyle g_2^{\prime}(v)=0이므로 v=2+k2\displaystyle v=-\frac{2+k}{2}이고,Correction. 이 경우 g1\displaystyle g_1은 아래로 볼록하고 g2\displaystyle g_2는 위로 볼록하므로, 공통 축 a=v\displaystyle a=v에서 g1\displaystyle g_1은 극솟값을, g2\displaystyle g_2는 극댓값을 갖는다. 두 함수가 모두 극솟값을 갖는다는 서술은 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.g1(v)=2(2+k)v+(8k+4)\displaystyle g_1^{\prime}(v)=2(2+k)v+(8k+4)에서 (2+k)2+(8k+4)=0\displaystyle -(2+k)^2+(8k+4)=0, 즉 k(k4)=0\displaystyle k(k-4)=0이고 k=4\displaystyle k=4이다. 이때 α=6,  β=0\displaystyle \alpha=-6,\;\beta=0에서 최솟값 64\displaystyle 64를 가지므로 4\displaystyle 4A\displaystyle A에 속하지 않는다.따라서 (1), (2)(i), (2)(ii)에 의해 A\displaystyle A에 속하지 않는 양수 k\displaystyle k2\displaystyle 24\displaystyle 4이다.

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