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자연계열 II 3번

문제

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3-(1) 두 곡선 f(x)\displaystyle f(x)g(x)\displaystyle g(x)가 만나는 서로 다른 교점의 개수가 2 이상인 자연수 n\displaystyle n을 모두 구하시오.

+5점 · 삼차식 h(x)=f(x)g(x)=0\displaystyle h(x)=f(x)-g(x)=0이 두 개 이상의 근을 갖기 위한 조건으로 h(x)\displaystyle h(x)의 극댓값이 0보다 크거나 같고(크고) 극솟값이 0보다 작아야(작거나 같아야) 함을 지적함

(풀이) h(x)=f(x)g(x)=2x33(n+1)x2+6nx4n2+20n28\displaystyle h(x)=f(x)-g(x)=2x^3-3(n+1)x^2+6nx-4n^2+20n-28라 하면, 삼차식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0이 두 개 이상의 근을 갖기 위해서는 h(x)\displaystyle h(x)의 극댓값이 0보다 크거나 같고(크고) 극솟값이 0보다 작아야(작거나 같아야) 한다. 한편

+2점 · h(x)=6x26(n+1)x+6n=6(x1)(xn)=0\displaystyle h^{\prime}(x)=6x^2-6(n+1)x+6n=6(x-1)(x-n)=0으로부터 극점 x=1,x=n\displaystyle x=1,x=n을 찾음

h(x)=6x26(n+1)x+6n=6(x1)(xn)=0\displaystyle h^{\prime}(x)=6x^2-6(n+1)x+6n=6(x-1)(x-n)=0이므로, 극값을 갖는 점은 x=1\displaystyle x=1이거나 x=n\displaystyle x=n이다.

+2점 · n\displaystyle n이 자연수라는 조건으로부터 n1\displaystyle n\ge1을 확인하고 h(1)\displaystyle h(1)이 극댓값이고, h(n)\displaystyle h(n)이 극솟값임을 지적함

n\displaystyle n은 자연수이므로 n1\displaystyle n\ge1이 성립한다. 따라서 삼차식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0이 두 개 이상의 근을 갖기 위해서는 삼차함수 h(x)\displaystyle h(x)x=1\displaystyle x=1에서 극댓값을 갖고 x=n\displaystyle x=n에서 극솟값을 가져야 한다.

+2점 · 극댓값 조건 h(1)=4n2+23n290\displaystyle h(1)=-4n^2+23n-29\ge0로부터 23658n23+658\displaystyle \frac{23-\sqrt{65}}8\le n\le\frac{23+\sqrt{65}}8를 유도함

극댓값이 0보다 크거나 같아야 하므로h(1)=23(n+1)+6n4n2+20n28=4n2+23n290\displaystyle h(1)=2-3(n+1)+6n-4n^2+20n-28=-4n^2+23n-29\ge04n223n+290\displaystyle 4n^2-23n+29\le0이 성립한다. 따라서 23658n23+658\displaystyle \frac{23-\sqrt{65}}8\le n\le\frac{23+\sqrt{65}}8를 만족하는 자연수이다.

+2점 · n\displaystyle n이 자연수라는 조건으로부터 n=2\displaystyle n=2이거나 n=3\displaystyle n=3임을 보임 +3점 · 극댓값 h(1)={1,n=24,n=3\displaystyle h(1)=\begin{cases}1,n=2\\4,n=3\end{cases}이 되어 0보다 크다는 것을 확인함

즉, n=2\displaystyle n=2이거나 n=3\displaystyle n=3이다. 이 경우 극댓값 h(1)={1,n=24,n=3\displaystyle h(1)=\begin{cases}1,n=2\\4,n=3\end{cases}이 되어 0보다 크다.

+3점 · 극솟값 h(n)\displaystyle h(n)n=2\displaystyle n=2인 경우 h(n)=0\displaystyle h(n)=0이고, n=3\displaystyle n=3인 경우 h(3)=4<0\displaystyle h(3)=-4<0임을 보임으로써 극솟값이 0보다 작음을 보임

Correction. 두 경우를 함께 설명한 “0보다 작음”은 “0보다 작거나 같음”의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+1점 · 결론적으로 n=2\displaystyle n=2이거나 n=3\displaystyle n=3인 경우만 두 곡선 f(x)\displaystyle f(x)g(x)\displaystyle g(x)가 두 점 이상에서 만남을 주장함

한편 극솟값은h(n)=2n33(n+1)n2+6n24n2+20n28=n3n2+20n28=(n2)(n2+3n14)\displaystyle \begin{aligned}h(n)&=2n^3-3(n+1)n^2+6n^2-4n^2+20n-28\\&=-n^3-n^2+20n-28\\&=-(n-2)(n^2+3n-14)\end{aligned}이므로, n=2\displaystyle n=2인 경우는 h(2)=0\displaystyle h(2)=0이고, n=3\displaystyle n=3인 경우는 h(3)=4<0\displaystyle h(3)=-4<0이 되어 두 경우 모두 극솟값이 0보다 작거나 같다. 결론적으로 n=2\displaystyle n=2이거나 n=3\displaystyle n=3인 경우만 두 곡선 f(x)\displaystyle f(x)g(x)\displaystyle g(x)가 두 점 이상에서 만난다.

3-(2) 위 (1)의 조건을 만족하는 자연수 n\displaystyle n에 대하여 두 곡선 f(x)\displaystyle f(x)g(x)\displaystyle g(x)로 둘러싸인 도형의 넓이의 최댓값과 최솟값을 구하시오.

+1점 · (1)의 풀이를 근거로 두 곡선 f(x)\displaystyle f(x)g(x)\displaystyle g(x)가 두 점 이상에서 만나는 자연수 n\displaystyle nn=2\displaystyle n=2이거나 n=3\displaystyle n=3인 경우임을 지적함

(풀이) (1)의 풀이에 의해 두 곡선 f(x)\displaystyle f(x)g(x)\displaystyle g(x)가 두 점 이상에서 만나는 자연수 n\displaystyle nn=2\displaystyle n=2이거나 n=3\displaystyle n=3인 경우뿐이다. 한편 두 곡선 f(x)\displaystyle f(x)g(x)\displaystyle g(x)로 둘러싸인 도형의 넓이는 곡선 h(x)\displaystyle h(x)x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형의 넓이와 같다.

+2점 · n=2\displaystyle n=2인 경우, h(x)=2x39x2+12x4=0\displaystyle h(x)=2x^3-9x^2+12x-4=0의 근이 x=12,2\displaystyle x=\frac12,2임을 보임

(i) n=2\displaystyle n=2인 경우,h(x)=2x39x2+12x4=(2x1)(x2)2=0\displaystyle h(x)=2x^3-9x^2+12x-4=(2x-1)(x-2)^2=0이므로 근은 x=12,2\displaystyle x=\frac12,2가 된다. 따라서 둘러싸인 도형의 넓이는

+4점 · 둘러싸인 도형의 넓이가 아래와 같음을 보임 A(2)=122(2x39x2+12x4)dx=[12x43x3+6x24x]122=2732\displaystyle A(2)=\int_{\frac12}^2(2x^3-9x^2+12x-4)\,dx=\Biggl[\frac12x^4-3x^3+6x^2-4x\Biggr]_{\frac12}^2=\frac{27}{32}

A(2)=122(2x39x2+12x4)dx=[12x43x3+6x24x]122=2732\displaystyle A(2)=\int_{\frac12}^2(2x^3-9x^2+12x-4)\,dx=\Biggl[\frac12x^4-3x^3+6x^2-4x\Biggr]_{\frac12}^2=\frac{27}{32}이다.

+1점 · 2322+3\displaystyle 2-\sqrt3\le2\le2+\sqrt3임을 보임 +2점 · n=3\displaystyle n=3인 경우, h(x)=2x312x2+18x4=0\displaystyle h(x)=2x^3-12x^2+18x-4=0 근이 x=2,2±3\displaystyle x=2,2\pm\sqrt3임을 보임

(ii) n=3\displaystyle n=3인 경우,h(x)=2x312x2+18x4=2(x2)(x24x+1)=0\displaystyle h(x)=2x^3-12x^2+18x-4=2(x-2)(x^2-4x+1)=0이므로 근은 x=2,2±3\displaystyle x=2,2\pm\sqrt3이 된다. 한편 둘러싸인 도형은 점 (2,0)\displaystyle (2,0)에 대한 점대칭이므로 넓이는

+2점 · 둘러싸인 도형의 넓이가 A(3)=232(2x312x2+18x4)dx+22+3(2x3+12x218x+4)dx\displaystyle A(3)=\int_{2-\sqrt3}^2(2x^3-12x^2+18x-4)\,dx+\int_2^{2+\sqrt3}(-2x^3+12x^2-18x+4)\,dx 임을 보임 혹은 A(3)=2232(2x312x2+18x4)dx\displaystyle A(3)=2\int_{2-\sqrt3}^2(2x^3-12x^2+18x-4)\,dx임을 보임 +5점 · A(3)=9\displaystyle A(3)=9임을 보임 +2점 · 최댓값은 9이고 최솟값은 2732\displaystyle \frac{27}{32}임을 지적함

A(3)=2232(2x312x2+18x4)dx=4232(x2)(x24x+1)dx=4232(x2)((x2)23)dx=430x(x23)dx=430(x33x)dx=4[14x432x2]30=9\displaystyle \begin{aligned}A(3)&=2\int_{2-\sqrt3}^2(2x^3-12x^2+18x-4)\,dx\\&=4\int_{2-\sqrt3}^2(x-2)(x^2-4x+1)\,dx\\&=4\int_{2-\sqrt3}^2(x-2)((x-2)^2-3)\,dx\\&=4\int_{-\sqrt3}^0x(x^2-3)\,dx\\&=4\int_{-\sqrt3}^0(x^3-3x)\,dx\\&=4\Biggl[\frac14x^4-\frac32x^2\Biggr]_{-\sqrt3}^0\\&=9\end{aligned}이다. 따라서 최댓값은 9이고 최솟값은 2732\displaystyle \frac{27}{32}이다.

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