수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

* 다음 제시문 <가>와 <나>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 다항함수 f(x)\displaystyle f ( x )가 다음 조건을 만족시킨다.

x<5\displaystyle x < 5에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime} ( x ) > 0이고, x>5\displaystyle x > 5에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime} ( x ) < 0이다.

<나> 함수 g(x)\displaystyle g ( x )는 다음과 같이 정의된다.

g(x)=(x−1)f(x)−∫1xf(t)dt\displaystyle g ( x ) = ( x - 1 ) f ( x ) - \int_{1}^{x} {f ( t ) d t}

[문제 3-1] 함수 g(x)\displaystyle g ( x )의 극점의 개수를 구하시오. [15점]

[문제 3-2] 제시문 <가>의 다항함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 모든 계수는 정수이고 제시문 <가> 외에 다음 성질을 갖는다고 하자.x>5\displaystyle x > 5에서 −3x<f′(x)\displaystyle - 3 x < f^{\prime} ( x ) 이고 f(5)=0\displaystyle f ( 5 ) = 0이다이 때, 방정식 g(x)=c\displaystyle g ( x ) = c 이 서로 다른 세 실근을 갖는 실수 c\displaystyle c의 범위를 구하시오. [15점]

해설강의 준비중

[3-1 풀이]

[풀이] 다항함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 도함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )는 다항함수이고 연속함수이므로, 제시문 <가>의 조건에 의해서 f′(5)=0\displaystyle f^{\prime} ( 5 ) = 0이다. 또한 제시문 <가>의 조건에서 x≠5\displaystyle x \ne 5이면 f′(x)≠0\displaystyle f^{\prime} ( x ) \ne 0이다. 한편 g′(x)=f(x)+(x−1)f′(x)−f(x)=(x−1)f′(x)\displaystyle g^{\prime} ( x ) = f ( x ) + ( x - 1 ) f^{\prime} ( x ) - f ( x ) = ( x - 1 ) f^{\prime} ( x ) 이므로 g(x)\displaystyle g ( x )의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

xx⋯1⋯5⋯
g′(x)g^{\prime}(x)−0+0−
g(x)g(x)↘ ↗ ↘

따라서 g(x)\displaystyle g ( x )는 x=1\displaystyle x = 1에서 극소이고 x=5\displaystyle x = 5에서 극대이다. 그러므로 g(x)\displaystyle g ( x )의 극점의 개수는 2이다.

[3-2 풀이]

[풀이] f(x)\displaystyle f ( x )의 도함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )는 다항함수이고 f′(5)=0\displaystyle f^{\prime} ( 5 ) = 0이므로 f′(x)=(x−5)h(x)\displaystyle f^{\prime} ( x ) = ( x - 5 ) h ( x )인 다항함수 h(x)\displaystyle h ( x )가 존재한다.

이 때, x<5\displaystyle x < 5에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime} ( x ) > 0이므로 h(x)<0(x<5)\displaystyle h ( x ) < 0 ( x < 5 )이고 x>5\displaystyle x > 5에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime} ( x ) < 0이므로 h(x)<0(x<5)\displaystyle h ( x ) < 0 ( x < 5 )이다. 다항함수 h(x)\displaystyle h ( x )는 연속함수이므로 모든 실수 x\displaystyle x에 대해 h(x)≤0\displaystyle h ( x ) \leq 0 이다. 따라서 다항함수 h(x)\displaystyle h ( x )의 최고차항의 차수는 짝수이고 다항함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )의 최고차항의 차수는 홀수이다. 그런데 x>5\displaystyle x > 5에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime} ( x ) < 0 이지만Correction. h(x)<0\displaystyle h(x)<0 뒤에 적힌 구간 x<5\displaystyle x<5는 x>5\displaystyle x>5의 오기이다.그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

−3x<f′(x)\displaystyle - 3 x < f^{\prime} ( x )이므로 ∣f′(x)∣<3∣x∣(x>5)\displaystyle | f^{\prime} ( x ) | < 3 | x | ( x > 5 )이다. 그러므로 f′(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )는 일차함수 이고 h(x)\displaystyle h ( x )는 −3\displaystyle - 3 이상의 음의 실수를 값으로 갖는 상수함수이다. 따라서 f′(x)=a(x−5)(−3≤a<0)\displaystyle f^{\prime} ( x ) = a ( x - 5 ) ( - 3 \leq a < 0 )이고 f(x)=a2(x−5)2+b(−3≤a<0)\displaystyle f ( x ) = \frac{{a}}{2} ( x - 5 )^{2} + b ( - 3 \leq a < 0 )이다. 그런데 f(x)\displaystyle f ( x )의 모든 계수는 정수이고 f(5)=0\displaystyle f ( 5 ) = 0이므로 f(x)=−(x−5)2\displaystyle f ( x ) = - ( x - 5 )^{2}이다. 따라서 제시문 <나>에 의해

g(x)=−(x−1)(x−5)2−∫1x−(t−5)2dt=−(x−1)(x−5)2+(x−5)3+643\displaystyle g ( x ) = - ( x - 1 ) ( x - 5 )^{2} - \int_{1}^{x} {- ( t - 5 )^{2} d t} = - ( x - 1 ) ( x - 5 )^{2} + \frac{{( x - 5 )^{3} + 64}}{3}이다.

그러므로 g(1)=0\displaystyle g ( 1 ) = 0 이고 g(5)=643\displaystyle g ( 5 ) = \frac{{64}}{3}이다. 따라서 g(x)\displaystyle g ( x )는 x=1\displaystyle x = 1에서 극솟값 0을 갖고 x=5\displaystyle x = 5에서 극댓값 643\displaystyle \frac{{64}}{3}을 갖는 삼차함수이므로, 방정식 g(x)=c\displaystyle g ( x ) = c 이 서로 다른 세 실근을 갖는 실수 c\displaystyle c 의 범위는 0<c<643\displaystyle 0 < c < \frac{64}{3} 이다.

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