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문제

[문항 2] 제시문 (ㄱ)~(ㄷ)을 읽고 문제에 답하시오. (200점)

(ㄱ) 양수 a\displaystyle a와 상수 b\displaystyle b에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 다음과 같다.f(x)={2xx2+a(x≥0)bx(x<0)\displaystyle f(x)=\begin{cases}\frac{2x}{x^{2}+a}&(x\geq0)\\bx&(x<0)\end{cases}

(ㄴ) 실수 t\displaystyle t와 제시문 (ㄱ)의 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 닫힌구간 [t,t+c]\displaystyle [t,t+c]에서의 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값을 g(t)\displaystyle g(t)라고 할 때,함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(t)\displaystyle g(t)는 다음 조건을 만족시킨다. (단, c\displaystyle c는 양수이다.)(가) x≥0\displaystyle x\geq0인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)≤f(c)\displaystyle f(x)\leq f(c)이다.(나) 함수 g(t)\displaystyle g(t)는 t=−12\displaystyle t=-\frac{1}{2}에서 미분가능하지 않다.

(ㄷ) 제시문 (ㄴ)의 c\displaystyle c와 함수 g(t)\displaystyle g(t)에 대하여 기울기가 m\displaystyle m인 직선 l\displaystyle l은 다음 조건을 만족시킨다.(가) 직선 l\displaystyle l의 방정식은 y=mt+1c\displaystyle y=mt+\frac{1}{c}이다.(나) m=125\displaystyle m=\frac{1}{25}일 때, 직선 l\displaystyle l은 곡선 y=g(t)\displaystyle y=g(t)와 서로 다른 두 점에서 만난다.(다) 0<m<125\displaystyle 0<m<\frac{1}{25}일 때, 직선 l\displaystyle l은 곡선 y=g(t)\displaystyle y=g(t)와 서로 다른 세 점에서 만난다.

논제. (200점) 제시문의 a\displaystyle a, b\displaystyle b, c\displaystyle c의 값을 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+30점 · a=c2\displaystyle a=c^{2}이고 f(c)=1c\displaystyle f(c)=\frac{1}{c}

제시문 (ㄴ)의 (가)에 의해,f′(c)=2a−2c2(c2+a)2=0⇒a=c2\displaystyle f^{\prime}(c)=\frac{2a-2c^{2}}{(c^{2}+a)^{2}}=0\quad\Rightarrow\quad a=c^{2}이므로 f(c)=1c\displaystyle f(c)=\frac{1}{c}이다.

+50점 · b≥0\displaystyle b\geq0인 경우

① b≥0\displaystyle b\geq0인 경우, 함수 g(t)\displaystyle g(t)는g(t)={b(t+c)(t≤−c)2(t+c)(t+c)2+a(−c<t≤0)1c(0<t≤c)2tt2+a(c≤t)\displaystyle g(t)=\begin{cases}b(t+c)&(t\leq-c)\\\frac{2(t+c)}{(t+c)^{2}+a}&(-c<t\leq0)\\\frac{1}{c}&(0<t\leq c)\\\frac{2t}{t^{2}+a}&(c\leq t)\end{cases}이고, g(t)\displaystyle g(t)가 t=−12\displaystyle t=-\frac{1}{2}에서 미분가능하지 않기 위해서는 c=12\displaystyle c=\frac{1}{2}이어야 한다.

b가 0 이상인 경우의 f와 g의 그래프

한편, c=12\displaystyle c=\frac{1}{2}일 때, g(0)=2\displaystyle g(0)=2이므로 (0,2)\displaystyle (0,2)를 지나고 기울기가 m\displaystyle m인 직선과 g(t)\displaystyle g(t)의 교점은ⓐ b≥125\displaystyle b\geq\frac{1}{25} : 0<m≤125\displaystyle 0<m\leq\frac{1}{25}일 때 2개ⓑ b<125\displaystyle b<\frac{1}{25} : m=125\displaystyle m=\frac{1}{25}일 때 3개이므로 제시문 (ㄷ)을 만족하지 않는다.

+50점 · b<0\displaystyle b<0인 경우

② b<0\displaystyle b<0인 경우, f(−α)=f(c−α)\displaystyle f(-\alpha)=f(c-\alpha)를 만족시키는 α\displaystyle \alpha가 구간 (0,c)\displaystyle (0,c)에 존재하므로, 함수 g(t)\displaystyle g(t)는g(t)={bt(t≤−α)2(t+c)(t+c)2+a(−α<t≤0)1c(0<t≤c)2tt2+a(c≤t)\displaystyle g(t)=\begin{cases}bt&(t\leq-\alpha)\\\frac{2(t+c)}{(t+c)^{2}+a}&(-\alpha<t\leq0)\\\frac{1}{c}&(0<t\leq c)\\\frac{2t}{t^{2}+a}&(c\leq t)\end{cases}g(t)\displaystyle g(t)가 t=−12\displaystyle t=-\frac{1}{2}에서 미분가능하지 않기 위해서는 α=12<c\displaystyle \alpha=\frac{1}{2}<c이어야 한다. g(0)=1c\displaystyle g(0)=\frac{1}{c}이므로 그래프는 다음과 같다.

b가 음수인 경우의 f와 g의 그래프

따라서,−12b=2(c−12)(c−12)2+a⇒b=−4(c−12)(c−12)2+c2\displaystyle -\frac{1}{2}b=\frac{2\left(c-\frac{1}{2}\right)}{\left(c-\frac{1}{2}\right)^{2}+a}\quad\Rightarrow\quad b=\frac{-4\left(c-\frac{1}{2}\right)}{\left(c-\frac{1}{2}\right)^{2}+c^{2}}

+20점 · b=125−2c\displaystyle b=\frac{1}{25}-\frac{2}{c}

제시문 (ㄷ)의 (나), (다)를 만족하기 위해서는 (0,1c)\displaystyle \left(0,\frac{1}{c}\right)와 (−12,−12b)\displaystyle \left(-\frac{1}{2},-\frac{1}{2}b\right)를 잇는 직선의 기울기가 125\displaystyle \frac{1}{25}이어야 한다. 즉,1c−(−12b)0−(−12)=125⇒b=125−2c\displaystyle \frac{\frac{1}{c}-\left(-\frac{1}{2}b\right)}{0-\left(-\frac{1}{2}\right)}=\frac{1}{25}\quad\Rightarrow\quad b=\frac{1}{25}-\frac{2}{c}

+50점

따라서,b=−4(c−12)(c−12)2+c2=125−2c⇒8c3−4c2+c−50=0\displaystyle b=\frac{-4\left(c-\frac{1}{2}\right)}{\left(c-\frac{1}{2}\right)^{2}+c^{2}}=\frac{1}{25}-\frac{2}{c}\quad\Rightarrow\quad8c^{3}-4c^{2}+c-50=0이고8c3−4c2+c−50=0⇔(c−2)(8c2+12c+25)=0\displaystyle 8c^{3}-4c^{2}+c-50=0\quad\Leftrightarrow\quad(c-2)(8c^{2}+12c+25)=0에 의해 c=2\displaystyle c=2이다. 따라서, a=4\displaystyle a=4, b=−2425\displaystyle b=-\frac{24}{25}, c=2\displaystyle c=2이다.

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