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문제

[문항 4] 제시문 (ㄱ)~(ㄷ)을 읽고 논제에 답하시오. (200점)

(ㄱ) 최고차항의 계수가 양수인 삼차함수 f(x)\displaystyle f(x)와 정의역과 공역이 모두 실수 전체의 집합이고 실수 전체의 집합에서 연속인 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 다음 조건을 만족시킨다.

(가) 10≤∣f(2)−f(1)∣≤20\displaystyle 10\leq|f(2)-f(1)|\leq20

(나) 실수 t\displaystyle t가 0≤t≤4\displaystyle 0\leq t\leq4일 때 f(g(t))=f(t)\displaystyle f(g(t))=f(t), t<0\displaystyle t<0일 때 g(t)=g(0)\displaystyle g(t)=g(0), t>4\displaystyle t>4일 때 g(t)=g(4)\displaystyle g(t)=g(4)이다.

(다) lim⁡x→0+g(x)−g(0)x=3\displaystyle \lim_{x\to0+}\frac{g(x)-g(0)}{\sqrt{x}}=\sqrt3

(ㄴ) 제시문 (ㄱ)의 함수 g(x)\displaystyle g(x)로 가능한 모든 함수의 개수를 n\displaystyle n이라고 하자.

(ㄷ) 제시문 (ㄱ)의 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)로 가능한 모든 함수에 대하여 다음 S\displaystyle S의 값 중 가장 큰 값을 M\displaystyle M, 가장 작은 값을 m\displaystyle m이라고 하자.

S\displaystyle S는 곡선 y=f′(x)g(x)\displaystyle y=f^{\prime}(x)g(x)와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=1,  x=4\displaystyle x=1,\;x=4로 둘러싸인 도형의 넓이이다.

논제. (200점) 제시문 (ㄱ)의 함수 g(x)\displaystyle g(x)로 가능한 함수를 모두 구하시오. 또한 제시문 (ㄴ)의 n\displaystyle n, 제시문 (ㄷ)의 M\displaystyle M과 m\displaystyle m의 값을 구하시오. 이 모든 과정의 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+20점 · f(x)=k((x−a)3−b(x−a))+c\displaystyle f(x)=k((x-a)^3-b(x-a))+c로 쓸 수 있고 b>0\displaystyle b>0이다.

f(x)\displaystyle f(x)의 최고차항의 계수를 k\displaystyle k라고 하면 실수 a,b,c\displaystyle a,b,c에 대하여 f′(x)=k(3(x−a)2−b)\displaystyle f^{\prime}(x)=k(3(x-a)^2-b), f(x)=k((x−a)3−b(x−a))+c\displaystyle f(x)=k((x-a)^3-b(x-a))+c로 쓸 수 있다.b≤0\displaystyle b\leq0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 일대일함수이므로 조건 (나)에 의해 실수 t\displaystyle t가 0≤t≤4\displaystyle 0\leq t\leq4일 때 g(t)=t\displaystyle g(t)=t이고, 이는 조건 (다)를 만족하지 않는다. 그러므로 b>0\displaystyle b>0이다.

+30점 · f(s)=f(t)\displaystyle f(s)=f(t)를 만족하는 s\displaystyle s를 구한다.

실수 t\displaystyle t가 0≤t≤4\displaystyle 0\leq t\leq4일 때 x=t\displaystyle x=t에서의 함숫값 g(t)=s\displaystyle g(t)=s는 조건 (나)에서 f(s)=f(t)\displaystyle f(s)=f(t)이므로k((s−a)3−b(s−a))+c=k((t−a)3−b(t−a))+c\displaystyle k((s-a)^3-b(s-a))+c=k((t-a)^3-b(t-a))+c이고(s−t)((s−a)2+(s−a)(t−a)+(t−a)2−b)=0\displaystyle (s-t)((s-a)^2+(s-a)(t-a)+(t-a)^2-b)=0이다.따라서 ∣t−a∣>2b/3\displaystyle |t-a|>2\sqrt{b/3}일 때는 s=t\displaystyle s=t이고,∣t−a∣≤2b/3\displaystyle |t-a|\leq2\sqrt{b/3}일 때는 s=t\displaystyle s=t 또는 s=−(t−a)±4b−3(t−a)22+a\displaystyle s=\frac{-(t-a)\pm\sqrt{4b-3(t-a)^2}}2+a이다.

+50점 · 조건 (다)에서 a=2,b=3\displaystyle a=2,b=3이다.

정의역이 [a−2b/3,a+2b/3]\displaystyle [a-2\sqrt{b/3},a+2\sqrt{b/3}]인 두 함수 α(x),β(x)\displaystyle \alpha(x),\beta(x)를α(x)=−(x−a)−4b−3(x−a)22+a,β(x)=−(x−a)+4b−3(x−a)22+a,\displaystyle \alpha(x)=\frac{-(x-a)-\sqrt{4b-3(x-a)^2}}2+a,\quad\beta(x)=\frac{-(x-a)+\sqrt{4b-3(x-a)^2}}2+a,정의역이 실수 전체의 집합인 함수 I(x)\displaystyle I(x)를 I(x)=x\displaystyle I(x)=x라고 하면 위 결과로부터0≤t≤4\displaystyle 0\leq t\leq4이고 ∣t−a∣>2b/3\displaystyle |t-a|>2\sqrt{b/3}일 때 g(t)=I(t)\displaystyle g(t)=I(t)이고, ---- (*)0≤t≤4\displaystyle 0\leq t\leq4이고 ∣t−a∣≤2b/3\displaystyle |t-a|\leq2\sqrt{b/3}일 때 (g(t)−I(t))(g(t)−α(t))(g(t)−β(t))=0\displaystyle (g(t)-I(t))(g(t)-\alpha(t))(g(t)-\beta(t))=0이다. ---- (**)1) 0<a−2b/3\displaystyle 0<a-2\sqrt{b/3} 또는 a+2b/3≤0\displaystyle a+2\sqrt{b/3}\leq0인 경우:(*)에 의해 g(x)\displaystyle g(x)는 어떤 구간 (0,p1]\displaystyle (0,p_1]에서 함수 I(x)\displaystyle I(x)와 일치한다. (단, p1>0\displaystyle p_1>0)따라서 g(0)=lim⁡t→0+g(t)=lim⁡t→0+t=0\displaystyle g(0)=\lim_{t\to0+}g(t)=\lim_{t\to0+}t=0이고, lim⁡t→0+g(t)−g(0)t=lim⁡t→0+t−0t=0\displaystyle \lim_{t\to0+}\frac{g(t)-g(0)}{\sqrt{t}}=\lim_{t\to0+}\frac{t-0}{\sqrt{t}}=0이다.따라서 (다) 조건을 만족하지 않는다.2) a−2b/3≤0<a+2b/3\displaystyle a-2\sqrt{b/3}\leq0<a+2\sqrt{b/3}인 경우:(**)에 의해 g(x)\displaystyle g(x)는 어떤 닫힌구간 [0,p2]\displaystyle [0,p_2]에서 세 함수 I(x),α(x),β(x)\displaystyle I(x),\alpha(x),\beta(x) 중 하나와 일치하게 된다. (단, p2>0\displaystyle p_2>0)조건 (다)에서 lim⁡x→0+g(x)−g(0)x=lim⁡x→0+1xg(x)−g(0)x=∞\displaystyle \lim_{x\to0+}\frac{g(x)-g(0)}x=\lim_{x\to0+}\frac1{\sqrt{x}}\frac{g(x)-g(0)}{\sqrt{x}}=\infty이므로 이 구간에서 g(x)\displaystyle g(x)와 일치하는 함수는 x=0\displaystyle x=0에서 미분가능하지 않다. 따라서 이 구간에서 g(x)\displaystyle g(x)는 두 함수 α(x),β(x)\displaystyle \alpha(x),\beta(x) 중 하나와 일치하고 a−2b/3=0\displaystyle a-2\sqrt{b/3}=0, 즉 4b=3a2\displaystyle 4b=3a^2이다. 그런데 lim⁡x→0+g(x)−g(0)x=3\displaystyle \lim_{x\to0+}\frac{g(x)-g(0)}{\sqrt{x}}=\sqrt3, lim⁡x→0+α(x)−α(0)x=−6a2\displaystyle \lim_{x\to0+}\frac{\alpha(x)-\alpha(0)}{\sqrt{x}}=-\frac{\sqrt{6a}}2, lim⁡x→0+β(x)−β(0)x=6a2\displaystyle \lim_{x\to0+}\frac{\beta(x)-\beta(0)}{\sqrt{x}}=\frac{\sqrt{6a}}2이므로 닫힌구간 [0,p2]\displaystyle [0,p_2]에서 g(x)\displaystyle g(x)는 β(x)\displaystyle \beta(x)와 일치하고, a=2,b=3\displaystyle a=2,b=3이다.따라서 f(x)=k((x−2)3−3(x−2))+c\displaystyle f(x)=k((x-2)^3-3(x-2))+c이고, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=1\displaystyle x=1에서 극댓값 f(1)=2k+c\displaystyle f(1)=2k+c, x=3\displaystyle x=3에서 극솟값 f(3)=−2k+c\displaystyle f(3)=-2k+c를 가진다. 그리고, 두 함수 α(x),β(x)\displaystyle \alpha(x),\beta(x)의 정의역은 [0,4]\displaystyle [0,4]이고,α(x)=−(x−2)−3x(4−x)2+2,β(x)=−(x−2)+3x(4−x)2+2\displaystyle \alpha(x)=\frac{-(x-2)-\sqrt{3x(4-x)}}2+2,\quad\beta(x)=\frac{-(x-2)+\sqrt{3x(4-x)}}2+2 이다.

+50점 · 가능한 두 함수 g1(x),g2(x)\displaystyle g_1(x),g_2(x)와 n=2\displaystyle n=2

세 곡선 y=I(x),  y=α(x),  y=β(x)\displaystyle y=I(x),\;y=\alpha(x),\;y=\beta(x)는 열린구간 (0,1),(1,3),(3,4)\displaystyle (0,1),(1,3),(3,4)에서는 교점을 가지지 않으므로 (**)에 의해 각 닫힌구간 [0,1],[1,3],[3,4]\displaystyle [0,1],[1,3],[3,4]에서는 g(x)\displaystyle g(x)는 세 함수 I(x),α(x),β(x)\displaystyle I(x),\alpha(x),\beta(x) 중 하나와 일치하게 된다. 그런데 닫힌구간 [0,p2]\displaystyle [0,p_2]에서 g(x)\displaystyle g(x)가 β(x)\displaystyle \beta(x)와 일치하므로 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 g(x)\displaystyle g(x)는 β(x)\displaystyle \beta(x)와 일치하고, g(1)=β(1)=4≠1=α(1)=I(1)\displaystyle g(1)=\beta(1)=4\ne1=\alpha(1)=I(1)이므로 닫힌구간 [1,3]\displaystyle [1,3]에서도 g(x)\displaystyle g(x)는 β(x)\displaystyle \beta(x)와 일치한다.닫힌구간 [3,4]\displaystyle [3,4]에서는 g(3)=β(3)=I(3)=3≠0=α(3)\displaystyle g(3)=\beta(3)=I(3)=3\ne0=\alpha(3)이므로 닫힌구간 [3,4]\displaystyle [3,4]에서는 g(x)\displaystyle g(x)는 I(x)\displaystyle I(x) 또는 β(x)\displaystyle \beta(x)와 일치한다. 따라서 제시문 (ㄱ)의 함수 g(x)\displaystyle g(x)로 가능한 모든 함수는 다음 두 함수 g1(x),g2(x)\displaystyle g_1(x),g_2(x)이고 제시문 (ㄴ)의 n\displaystyle n의 값은 2\displaystyle 2이다.g1(x)={3(x<0)−(x−2)+3x(4−x)2+2(0≤x≤3)x(3<x≤4)4(4<x),\displaystyle g_1(x)=\begin{cases}3&(x<0)\\\frac{-(x-2)+\sqrt{3x(4-x)}}2+2&(0\leq x\leq3)\\x&(3<x\leq4)\\4&(4<x)\end{cases},g2(x)={3(x<0)−(x−2)+3x(4−x)2+2(0≤x≤4)1(4<x)\displaystyle g_2(x)=\begin{cases}3&(x<0)\\\frac{-(x-2)+\sqrt{3x(4-x)}}2+2&(0\leq x\leq4)\\1&(4<x)\end{cases}

+50점 · M=295,m=4554\displaystyle M=295,m=\frac{455}4이다.

함수 f1(x)\displaystyle f_1(x)은 정의역이 [3,4]\displaystyle [3,4], 공역이 [−2k+c,2k+c]\displaystyle [-2k+c,2k+c]이며 3≤t≤4\displaystyle 3\leq t\leq4인 모든 t\displaystyle t에 대하여 f1(t)=f(t)\displaystyle f_1(t)=f(t)을 만족하는 함수이고, 함수 f2(x)\displaystyle f_2(x)은 정의역이 [1,3]\displaystyle [1,3], 공역이 [−2k+c,2k+c]\displaystyle [-2k+c,2k+c]이며 1≤t≤3\displaystyle 1\leq t\leq3인 모든 t\displaystyle t에 대하여 f2(t)=f(t)\displaystyle f_2(t)=f(t)을 만족하는 함수라고 하자.삼차함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=1\displaystyle x=1에서 극댓값 f(1)=2k+c\displaystyle f(1)=2k+c, x=3\displaystyle x=3에서 극솟값 f(3)=−2k+c\displaystyle f(3)=-2k+c를 가지고 f(4)=2k+c\displaystyle f(4)=2k+c이므로 두 함수 f1(x),f2(x)\displaystyle f_1(x),f_2(x)는 일대일대응이고 역함수를 가진다. h1(x)\displaystyle h_1(x)를 f1(x)\displaystyle f_1(x)의 역함수, h2(x)\displaystyle h_2(x)를 f2(x)\displaystyle f_2(x)의 역함수라고 하자.1≤t≤3\displaystyle 1\leq t\leq3인 모든 실수 t\displaystyle t에 대하여 f(h1(f(t)))=f(t)\displaystyle f(h_1(f(t)))=f(t)이고, α(t)≤I(t)≤h1(f(t))\displaystyle \alpha(t)\leq I(t)\leq h_1(f(t)),α(t)≤I(t)≤β(t)\displaystyle \alpha(t)\leq I(t)\leq\beta(t)이므로 h1(f(t))=β(t)=g1(t)=g2(t)\displaystyle h_1(f(t))=\beta(t)=g_1(t)=g_2(t)이고,3≤t≤4\displaystyle 3\leq t\leq4인 모든 실수 t\displaystyle t에 대하여 f(h1(f(t)))=f(t),  f(h2(f(t)))=f(t)\displaystyle f(h_1(f(t)))=f(t),\;f(h_2(f(t)))=f(t)이고,α(t)≤β(t)≤I(t),  α(t)≤h2(f(t))≤h1(f(t))\displaystyle \alpha(t)\leq\beta(t)\leq I(t),\;\alpha(t)\leq h_2(f(t))\leq h_1(f(t))이므로 g1(t)=h1(f(t)),  g2(t)=h2(f(t))\displaystyle g_1(t)=h_1(f(t)),\;g_2(t)=h_2(f(t))이다.1≤t≤4\displaystyle 1\leq t\leq4인 실수 t\displaystyle t에 대하여 g(t)≥0\displaystyle g(t)\geq0이고, 1≤t≤3\displaystyle 1\leq t\leq3인 실수 t\displaystyle t에 대하여 f′(t)≤0\displaystyle f^{\prime}(t)\leq0, 3≤t≤4\displaystyle 3\leq t\leq4인 실수 t\displaystyle t에 대하여 f′(t)≥0\displaystyle f^{\prime}(t)\geq0이므로 제시문 (ㄷ)의 S\displaystyle S는 다음과 같다.S=−∫13f′(x)g(x)dx+∫34f′(x)g(x)dx=−∫13h1(f(x))f′(x)+∫34f′(x)g(x)dx\displaystyle S=-\int_1^3f^{\prime}(x)g(x)dx+\int_3^4f^{\prime}(x)g(x)dx=-\int_1^3h_1(f(x))f^{\prime}(x)+\int_3^4f^{\prime}(x)g(x)dx1) −∫13h1(f(x))f′(x)dx=−∫2k+c−2k+ch1(x)dx=∫−2k+c2k+ch1(x)dx=4k×h1(2k+c)−∫34{f(x)−(−2k+c)}dx=16k−54k=594k\displaystyle \begin{aligned}-\int_1^3h_1(f(x))f^{\prime}(x)dx&=-\int_{2k+c}^{-2k+c}h_1(x)dx=\int_{-2k+c}^{2k+c}h_1(x)dx\\&=4k\times h_1(2k+c)-\int_3^4\{f(x)-(-2k+c)\}dx=16k-\frac54k=\frac{59}4k\end{aligned}2)g(x)=g1(x)\displaystyle g(x)=g_1(x)인 경우: ∫34f′(x)g(x)dx=∫34h1(f(x))f′(x)dx=∫−2k+c2k+ch1(x)dx=594k\displaystyle \int_3^4f^{\prime}(x)g(x)dx=\int_3^4h_1(f(x))f^{\prime}(x)dx=\int_{-2k+c}^{2k+c}h_1(x)dx=\frac{59}4kg(x)=g2(x)\displaystyle g(x)=g_2(x)인 경우: ∫34f′(x)g(x)dx=∫34h2(f(x))f′(x)dx=∫−2k+c2k+ch2(x)dx=8k\displaystyle \int_3^4f^{\prime}(x)g(x)dx=\int_3^4h_2(f(x))f^{\prime}(x)dx=\int_{-2k+c}^{2k+c}h_2(x)dx=8k따라서 S=592k\displaystyle S=\frac{59}2k 또는 914k\displaystyle \frac{91}4k이다. ∣f(2)−f(1)∣=2k\displaystyle |f(2)-f(1)|=2k이므로 제시문 (ㄱ)의 조건 (가)에서 10≤2k≤20\displaystyle 10\leq2k\leq20, 즉 5≤k≤10\displaystyle 5\leq k\leq10이다. 그러므로 M=592×10=295,  m=914×5=4554\displaystyle M=\frac{59}2\times10=295,\;m=\frac{91}4\times5=\frac{455}4이다.

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