수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+5점 · 19\displaystyle 1\le\ell\le9를 제시

[논제 1] g(0)=\displaystyle g(0)=\ell, g(0)=23\displaystyle g^{\prime}(0)=\frac23\ell이므로 g(x)=x2+(23)x+\displaystyle g(x)=x^2+\left(\frac23\ell\right)x+\ell이다. 판별식 D=4(9)9\displaystyle D=\frac{4\ell(\ell-9)}9로부터 10\displaystyle \ell\ge10이면 F(x)=0\displaystyle F(x)=0은 서로 다른 실근을 3\displaystyle 3개 이상 가지게 되므로 F(x)<0\displaystyle F(x)<0이 되는 x\displaystyle x가 존재한다.따라서 19\displaystyle 1\le\ell\le9.

+5점 · f(x)\displaystyle f(x)를 제시

한편 F(3)=0\displaystyle F(3)=0이고 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 F(x)0\displaystyle F(x)\ge0이므로 F(x)\displaystyle F(x)x=3\displaystyle x=3에서 극솟값 0\displaystyle 0을 갖는다. 따라서 F(3)=0\displaystyle F^{\prime}(3)=0이고 g(3)>0\displaystyle g(3)>0이므로 f(x)=(x3)2\displaystyle f(x)=(x-3)^2이고,F(x)=2x(x3)(2x3+)\displaystyle F^{\prime}(x)=2x(x-3)(2x-3+\ell)

+5점 · 정답을 제시

(ⅰ) 3\displaystyle \ell\ne3인 경우 : F(x)\displaystyle F(x)x=0\displaystyle x=0, x=3\displaystyle x=3, x=32\displaystyle x=\frac{3-\ell}2에서 극값을 갖는다. F(0)\displaystyle F(0)F(3)\displaystyle F(3)은 정수이고, 극값F(32)=148(9)(+3)3\displaystyle F\left(\frac{3-\ell}2\right)=-\frac1{48}(\ell-9)(\ell+3)^3=9\displaystyle \ell=9일 때만 정수가 된다.(ⅱ) =3\displaystyle \ell=3인 경우 : F(x)\displaystyle F(x)x=3\displaystyle x=3에서만 극값을 갖고 F(3)=0\displaystyle F(3)=0이므로 정수이다.(ⅰ), (ⅱ)에 의해 자연수 \displaystyle \ell의 개수는 2\displaystyle 2

+7점 · s\displaystyle s의 값을 제시

[논제 2] G(x)=F(x)eF(x)\displaystyle G^{\prime}(x)=F^{\prime}(x)e^{F(x)}이고 eF(x)>0\displaystyle e^{F(x)}>0이므로 두 함수 G(x)\displaystyle G(x)F(x)\displaystyle F(x)가 극값을 갖는 x\displaystyle x의 값은 서로 같다. F(3)=0\displaystyle F(3)=0이고 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 F(x)0\displaystyle F(x)\ge0이므로 F(x)\displaystyle F(x)x=3\displaystyle x=3에서 극솟값을 갖는다. 따라서,F(3)=f(3)g(3)+f(3)g(3)=0\displaystyle F^{\prime}(3)=f^{\prime}(3)g(3)+f(3)g^{\prime}(3)=0에서 f(3)g(3)=0\displaystyle f^{\prime}(3)g(3)=0이므로 f(3)=0\displaystyle f^{\prime}(3)=0 또는 g(3)=0\displaystyle g(3)=0.(ⅰ) g(3)=0\displaystyle g(3)=0인 경우 :f(x)=(x3)(xα),g(x)=(x3)(xβ)\displaystyle f(x)=(x-3)(x-\alpha),\quad g(x)=(x-3)(x-\beta)라 할 때, α=3\displaystyle \alpha=3 또는 β=3\displaystyle \beta=3이면 F(x)\displaystyle F(x)가 극댓값을 갖지 않는다. 따라서 α3,β3\displaystyle \alpha\ne3,\beta\ne3이다. 또한, F(x)=0\displaystyle F(x)=0은 서로 다른 실근을 3\displaystyle 3개 이상 갖지 않으므로 α=β\displaystyle \alpha=\beta이다. 그러나 이 경우 f(x)=g(x)\displaystyle f(x)=g(x)이므로 논제의 조건을 만족하는 교점이 존재하지 않는다.(ⅱ) f(3)=0\displaystyle f^{\prime}(3)=0인 경우 : f(x)=(x3)2\displaystyle f(x)=(x-3)^2한편 논제의 조건에 의해 f(s)g(s)=1\displaystyle f^{\prime}(s)g^{\prime}(s)=-1이고 f(s)=g(s)\displaystyle f(s)=g(s)이므로F(s)=f(s)g(s)+f(s)g(s)=f(s)(f(s)+g(s))=0\displaystyle F^{\prime}(s)=f^{\prime}(s)g(s)+f(s)g^{\prime}(s)=f(s)(f^{\prime}(s)+g^{\prime}(s))=0s>3\displaystyle s>3에 대하여 f(s)>0\displaystyle f(s)>0이므로 f(s)+g(s)=0\displaystyle f^{\prime}(s)+g^{\prime}(s)=0. 두 식f(s)g(s)=1,f(s)+g(s)=0\displaystyle f^{\prime}(s)g^{\prime}(s)=-1,\quad f^{\prime}(s)+g^{\prime}(s)=0이고 f(s)>0\displaystyle f^{\prime}(s)>0이므로 f(s)=2(s3)=1\displaystyle f^{\prime}(s)=2(s-3)=1에서 s=72\displaystyle s=\frac72

+8점 · F(x)\displaystyle F(x)를 제시

g(72)=f(72),g(72)=1\displaystyle g\left(\frac72\right)=f\left(\frac72\right),\quad g^{\prime}\left(\frac72\right)=-1에서 g(x)=x28x+16=(x4)2\displaystyle g(x)=x^2-8x+16=(x-4)^2이므로 F(x)=(x3)2(x4)2\displaystyle F(x)=(x-3)^2(x-4)^2이고F(72)=(723)2(724)2=116.\displaystyle F\left(\frac72\right)=\left(\frac72-3\right)^2\left(\frac72-4\right)^2=\frac1{16}.

+5점 · 정답을 제시

그러므로 G(72)=e116\displaystyle G\left(\frac72\right)=e^{\frac1{16}}.

+8점 · S(t)\displaystyle S(t)를 제시

[논제 3] b+c=M\displaystyle b+c=M라 하면 ax2+b=ax2c\displaystyle -ax^2+b=ax^2-c에서 α=M2a\displaystyle \alpha=-\sqrt{\frac M{2a}}이고 β=M2a\displaystyle \beta=\sqrt{\frac M{2a}}이므로A(M2a,bc2),B(M2a,bc2)\displaystyle \mathrm{A}\left(-\sqrt{\frac M{2a}},\frac{b-c}2\right),\quad\mathrm{B}\left(\sqrt{\frac M{2a}},\frac{b-c}2\right)α<t<β\displaystyle \alpha<t<\beta인 실수 t\displaystyle t에 대하여P(t,at2+b),Q(t,at2c)\displaystyle \mathrm{P}(-t,-at^2+b),\mathrm{Q}(t,at^2-c)이고 βα=2M2a\displaystyle \beta-\alpha=2\sqrt{\frac M{2a}}, αβ=M2a\displaystyle \alpha\beta=-\frac M{2a}이므로S(t)=12(βα)[h(t)bc2]+12(βα)[bc2k(t)]=M2a(2at2+M)\displaystyle \begin{aligned}S(t)&=\frac12(\beta-\alpha)\left[h(-t)-\frac{b-c}2\right]+\frac12(\beta-\alpha)\left[\frac{b-c}2-k(t)\right]\\&=\sqrt{\frac M{2a}}(-2at^2+M)\end{aligned}

두 포물선의 교점 A, B와 각 포물선 위의 점 P, Q가 만드는 사각형
+7점 · a=1,b+c=48\displaystyle a=1,b+c=48을 제시

따라서,α/2β/2S(t)dt=M2a(βα){112a(β2+α2+αβ)+M2}\displaystyle \int_{\alpha/2}^{\beta/2}S(t)\,dt=\sqrt{\frac M{2a}}(\beta-\alpha)\left\{-\frac1{12}a(\beta^2+\alpha^2+\alpha\beta)+\frac M2\right\}β2+α2+αβ=(βα)2+3αβ=M2a\displaystyle \beta^2+\alpha^2+\alpha\beta=(\beta-\alpha)^2+3\alpha\beta=\frac M{2a}이므로α/2β/2S(t)dt=11M224a\displaystyle \int_{\alpha/2}^{\beta/2}S(t)\,dt=\frac{11M^2}{24a}한편 22a2αβ+33(b+c)=11(3a)(b+c)\displaystyle 22a^2\alpha\beta+33(b+c)=11(3-a)(b+c)이므로 11M224a=11(3a)M\displaystyle \frac{11M^2}{24a}=11(3-a)M, 즉 M=24a(3a)\displaystyle M=24a(3-a)이다.M\displaystyle M은 자연수이므로 a=1,2\displaystyle a=1,2이고 b+c=48\displaystyle b+c=48이다.0<h(4)k(4)=32a+b+c\displaystyle 0<h(4)-k(4)=-32a+b+c이므로 a=1\displaystyle a=1이고 h(x)=x2+b\displaystyle h(x)=-x^2+b이고 k(x)=x2c\displaystyle k(x)=x^2-c이다.

+5점 · 정답을 제시

따라서n=311h(n)n=19k(n)=n=111{h(n)k(n)}h(1)h(2)+k(10)+k(11)=n=111(2n2+b+c)2(b+c)+226=354\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=3}^{11}h(n)-\sum_{n=1}^9k(n)&=\sum_{n=1}^{11}\{h(n)-k(n)\}-h(1)-h(2)+k(10)+k(11)\\&=\sum_{n=1}^{11}(-2n^2+b+c)-2(b+c)+226=-354\end{aligned}

예시 답안의 내용 및 평가 기준의 내용과는 일치하지 않더라도 기술한 내용이 논리적으로 타당한 경우에는 평가위원의 판단에 따라 부분 점수를 부여할 수 있음.

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