수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+5점 · f(x)=a(x27)\displaystyle f(x)=a(x^2-7)임을 제시

[논제 1] f(x)=ax2+bx+c\displaystyle f(x)=ax^2+bx+c (a<0\displaystyle a<0)라 하면 g(x)={ax2+(4a+b)x+2a+2b+c}ex\displaystyle g^{\prime\prime}(x)=\{ax^2+(4a+b)x+2a+2b+c\}e^x이다.조건 (1)에서 g(1)=g(5)=0\displaystyle g^{\prime\prime}(1)=g^{\prime\prime}(-5)=0이므로 근과 계수와의 관계로부터4a+ba=4,2a+2b+ca=5\displaystyle \frac{4a+b}a=4,\quad\frac{2a+2b+c}a=-5이므로, b=0\displaystyle b=0이고 c=7a\displaystyle c=-7a이다. 따라서f(x)=a(x27),g(x)=a(x27)ex\displaystyle f(x)=a(x^2-7),\quad g(x)=a(x^2-7)e^x또한 x=5,1\displaystyle x=-5,1의 좌우에서 g(x)\displaystyle g^{\prime\prime}(x)의 부호가 바뀌므로 조건 (1)을 만족시킨다.

+10점 · 12ea\displaystyle -\frac1{2e}\le a을 제시

조건 (2)에서 x>0\displaystyle x>0일 때, g(x)2\displaystyle g^{\prime}(x)\le2이므로g(x)=a(x2+2x7)ex2\displaystyle g^{\prime}(x)=a(x^2+2x-7)e^x\le2이다. 따라서 x>0\displaystyle x>0일 때,(x2+2x7)ex2a\displaystyle (x^2+2x-7)e^x\ge\frac2a이다. 한편 m(x)=(x2+2x7)ex\displaystyle m(x)=(x^2+2x-7)e^x라 하자. m(x)=(x+5)(x1)ex\displaystyle m^{\prime}(x)=(x+5)(x-1)e^x에서 방정식 m(x)=0\displaystyle m^{\prime}(x)=0의 해는 x=1\displaystyle x=1 또는 x=5\displaystyle x=-5이다. x>0\displaystyle x>0일 때, 함수 m(x)\displaystyle m(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

x\displaystyle x0\displaystyle 0\displaystyle \cdots1\displaystyle 1\displaystyle \cdots
m(x)\displaystyle m^{\prime}(x)\displaystyle -0\displaystyle 0+\displaystyle +
m(x)\displaystyle m(x)\displaystyle \searrow4e\displaystyle -4e\displaystyle \nearrow

위 표로부터 x>0\displaystyle x>0일 때 m(x)\displaystyle m(x)x=1\displaystyle x=1에서 최솟값 m(1)=4e\displaystyle m(1)=-4e을 가진다. 따라서 2a4e\displaystyle \frac2a\le-4e이고 a\displaystyle a는 음수이므로12ea<0\displaystyle -\frac1{2e}\le a<0 ……………………………… ①

+5점 · 정답을 제시

f(x)=a(x27)\displaystyle f(x)=a(x^2-7)이므로f(1)=6a\displaystyle f(1)=-6a ……………………………… ②①과 ②에서f(1)=6a3e\displaystyle f(1)=-6a\le\frac3e이다. 따라서 f(1)\displaystyle f(1)의 최댓값은 a=12e\displaystyle a=-\frac1{2e}일 때 3e\displaystyle \frac3e이다.

+3점 · k(x)=h(x){h(x)1}eh(x)\displaystyle k^{\prime}(x)=h^{\prime}(x)\{h(x)-1\}e^{h(x)}을 제시

[논제 2] k(x)=h(x){h(x)1}eh(x)\displaystyle k^{\prime}(x)=h^{\prime}(x)\{h(x)-1\}e^{h(x)}이고 k(x)=0\displaystyle k^{\prime}(x)=0에서h(x)=0\displaystyle h^{\prime}(x)=0이거나 h(x)=1\displaystyle h(x)=1이다. h(x)=0\displaystyle h^{\prime}(x)=0이 중근을 갖거나 근을 갖지 않는 경우, h(x)=1\displaystyle h(x)=1은 하나의 근을 갖는다. 이것은 조건 (1)에 모순이다. 따라서 방정식 h(x)=0\displaystyle h^{\prime}(x)=0은 서로 다른 두 근을 갖는다.

+10점 · 0<r<2\displaystyle 0<r<2임을 제시

방정식 h(x)=0\displaystyle h^{\prime}(x)=0의 두 근이0,2\displaystyle 0,2인 경우, 0,r\displaystyle 0,r인 경우, 2,r\displaystyle 2,r인 경우로 나누어 생각하자.(i) 두 근이 0,2\displaystyle 0,2인 경우: h(r)=1\displaystyle h(r)=1이므로 조건 (2)에 모순이다.(ii) 두 근이 0,r\displaystyle 0,r인 경우: r<0\displaystyle r<0인 경우와 r>0\displaystyle r>0인 경우로 나누어 생각하자.r<0\displaystyle r<0일 때, 조건 (1)에 의하여 h(0)=1\displaystyle h(0)=1이므로 조건 (3)에 모순이다.

h′의 두 근이 0과 r이고 r<0인 경우

r>0\displaystyle r>0일 때, 조건 (3)에 모순이다.

h′의 두 근이 0과 r이고 r>0인 경우

따라서 두 근은 2\displaystyle 2r\displaystyle r이다.(이때 h(0)=1\displaystyle h(0)=1) 이 경우도 0,r,2\displaystyle 0,r,2의 크기 비교를 위해,r<0\displaystyle r<0인 경우와 0<r<2\displaystyle 0<r<2, r>2\displaystyle r>2인 경우로 나누어 생각하자.2<r\displaystyle 2<r일 때, 1h(2)>h(r)=3\displaystyle 1\ge h(2)>h(r)=3이므로 모순이다.

h′의 두 근이 2와 r이고 2<r인 경우

r<0\displaystyle r<0일 때, h(0)=1\displaystyle h(0)=1이고 h(2)\displaystyle h(2)는 극솟값이고 h(x)=1\displaystyle h(x)=1의 해가 3\displaystyle 3개이므로 조건 (1)에 모순이다.

h′의 두 근이 2와 r이고 r<0인 경우

그러므로0<r<2\displaystyle 0<r<2이고, h(x)\displaystyle h(x)의 그래프는 아래와 같다.

조건을 만족하는 h의 그래프: 0<r<2
+5점 · h(x)=ax(x2)2+1\displaystyle h(x)=ax(x-2)^2+1을 제시

h(x)1=0\displaystyle h(x)-1=0의 근은 x=0\displaystyle x=0, 2\displaystyle 2(중근)이므로h(x)1=ax(x2)2\displaystyle h(x)-1=ax(x-2)^2 ……………………………… ③이다.

+5점 · r=23\displaystyle r=\frac23을 제시

h(x)=a(x2)(3x2)\displaystyle h^{\prime}(x)=a(x-2)(3x-2)이므로 r=23\displaystyle r=\frac23이다.

+2점 · 정답을 제시

h(23)=3\displaystyle h\left(\frac23\right)=3이므로 ③으로부터 a=2716\displaystyle a=\frac{27}{16}이다.

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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