수리논술, 이게 다다.

상경계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

수직선 위를 움직이는 두 점 P,Q\displaystyle P,Q의 시각 t\displaystyle t (t>0)\displaystyle (t>0)에서의 위치가 각각

p(t)=∫0t(−s3+4s2+as) dsq(t)=∫0tt(bs2+4s+a) ds\displaystyle \begin{aligned}p(t)&=\int_0^t(-s^3+4s^2+as)\,ds\\q(t)&=\int_0^t t(bs^2+4s+a)\,ds\end{aligned}

이다. (단, a,b\displaystyle a,b는 상수이다.)

1. a=−76,b=−1\displaystyle a=-\frac76,b=-1일 때 두 점 P,Q\displaystyle P,Q가 만나는 모든 순간의 P,Q\displaystyle P,Q의 속도를 각각 구하시오.

2. b>−1312\displaystyle b>-\frac{13}{12}일 때 구간 [1,2]\displaystyle [1,2]에서 두 점 P,Q\displaystyle P,Q의 가속도의 차이가 2 미만이 될 a,b\displaystyle a,b의 조건을 구하시오. (단, b≠−34\displaystyle b\ne-\frac34)

3. 두 점 P,Q\displaystyle P,Q의 가속도가 같아지는 순간이 존재할 a,b\displaystyle a,b의 조건과 그 시각을 구하시오. (단, b≠−34\displaystyle b\ne-\frac34)

해설강의 준비중

두 점 P,Q\displaystyle P,Q의 시각에 따른 위치는 p(t)=−t44+43t3+a2t2, q(t)=b3t4+2t3+at2\displaystyle p(t)=-\frac{t^4}4+\frac43t^3+\frac a2t^2,\ q(t)=\frac b3t^4+2t^3+at^2이다.두 점 P,Q\displaystyle P,Q의 속도는 p′(t)=−t3+4t2+at, q′(t)=4b3t3+6t2+2at\displaystyle p^{\prime}(t)=-t^3+4t^2+at,\ q^{\prime}(t)=\frac{4b}3t^3+6t^2+2at이다.두 점 P,Q\displaystyle P,Q의 가속도는 p′′(t)=−3t2+8t+a, q′′(t)=4bt2+12t+2a\displaystyle p^{\prime\prime}(t)=-3t^2+8t+a,\ q^{\prime\prime}(t)=4bt^2+12t+2a이다.

1. a=−76,b=−1\displaystyle a=-\frac76,b=-1일 때 p(t)=t2(−t24+43t−712)\displaystyle p(t)=t^2\left(-\frac{t^2}4+\frac43t-\frac7{12}\right)이고 q(t)=t2(−13t2+2t−76)\displaystyle q(t)=t^2\left(-\frac13t^2+2t-\frac76\right)이므로 만나는 조건은(−13+14)t2+23t−712=0\displaystyle \left(-\frac13+\frac14\right)t^2+\frac23t-\frac7{12}=0이고 t2−8t+7=0\displaystyle t^2-8t+7=0이므로 그 시각은 t=1,7\displaystyle t=1,7이다.점 P,Q\displaystyle P,Q의 속도는 p′(t)=−t3+4t2−76t, q′(t)=−43t3+6t2−73t\displaystyle p^{\prime}(t)=-t^3+4t^2-\frac76t,\ q^{\prime}(t)=-\frac43t^3+6t^2-\frac73t이므로t=1\displaystyle t=1일 때 점 P\displaystyle P의 속도는 p′(1)=−1+4−76=116\displaystyle p^{\prime}(1)=-1+4-\frac76=\frac{11}6이고 점 Q\displaystyle Q의 속도는 q′(1)=−43+6−73=73\displaystyle q^{\prime}(1)=-\frac43+6-\frac73=\frac73이다.t=7\displaystyle t=7일 때 점 P\displaystyle P의 속도는 p′(7)=−343+196−496=−9316\displaystyle p^{\prime}(7)=-343+196-\frac{49}6=-\frac{931}6이고 점 Q\displaystyle Q의 속도는 q′(7)=−13723+294−493=−5393\displaystyle q^{\prime}(7)=-\frac{1372}3+294-\frac{49}3=-\frac{539}3이다.

2. 구간 [1,2]\displaystyle [1,2]에서 두 점 P,Q\displaystyle P,Q의 가속도의 차이가 2 미만이려면 −2<4bt2+12t+2a−(−3t2+8t+a)<2\displaystyle -2<4bt^2+12t+2a-(-3t^2+8t+a)<2이어야한다.f(t)=(4b+3)t2+4t+a\displaystyle f(t)=(4b+3)t^2+4t+a라 두자. f(t)\displaystyle f(t)의 그래프의 축은 t=−24b+3\displaystyle t=-\frac2{4b+3}이다.

4b+3>0일 때 구간 [1,2]에서 증가하는 포물선

㉠ 4b+3>0\displaystyle 4b+3>0일 때 구간 [1,2]\displaystyle [1,2]에서 f(t)\displaystyle f(t)는 증가함수이므로 f(1)=4b+7+a>−2\displaystyle f(1)=4b+7+a>-2이고 f(2)=16b+20+a<2\displaystyle f(2)=16b+20+a<2이어야 한다.a>−4b−9,a<−16b−18\displaystyle a>-4b-9,a<-16b-18이므로 −4b−9<−16b−18\displaystyle -4b-9<-16b-18에서 12b+9<0\displaystyle 12b+9<0인데, 4b+3>0\displaystyle 4b+3>0을 만족하지 않으므로 a,b\displaystyle a,b는 존재하지 않는다.

4b+3<0이고 축이 2 이상인 포물선

㉡ 4b+3<0\displaystyle 4b+3<0이고 −24b+3≥2\displaystyle -\frac2{4b+3}\ge2일 때, 즉 −1≤4b+3<0\displaystyle -1\le4b+3<0일 때구간 [1,2]\displaystyle [1,2]에서 f(t)\displaystyle f(t)는 증가함수이므로 f(1)=4b+7+a>−2\displaystyle f(1)=4b+7+a>-2이고f(2)=16b+20+a<2\displaystyle f(2)=16b+20+a<2이어야 한다.따라서 −1≤4b+3<0,4b+a>−9,16b+a<−18\displaystyle -1\le4b+3<0,4b+a>-9,16b+a<-18을 만족하는 a,b\displaystyle a,b이면구간 [1,2]\displaystyle [1,2]에서 P,Q\displaystyle P,Q의 가속도의 차이가 2 미만이다.

축이 3/2와 2 사이에 놓인 포물선

㉢ 4b+3<0\displaystyle 4b+3<0이고 32<−24b+3<2\displaystyle \frac32<-\frac2{4b+3}<2일 때, 즉 −43<4b+3<−1\displaystyle -\frac43<4b+3<-1일 때 f(1)<f(2)\displaystyle f(1)<f(2)이므로f(−24b+3)=−44b+3+a<2\displaystyle f\left(-\frac2{4b+3}\right)=-\frac4{4b+3}+a<2이고 f(1)=4b+7+a>−2\displaystyle f(1)=4b+7+a>-2이어야 한다.따라서 −1312<b<−1,−44b+3+a<2,4b+a>−9\displaystyle -\frac{13}{12}<b<-1,-\frac4{4b+3}+a<2,4b+a>-9를 만족하는 a,b\displaystyle a,b이면구간 [1,2]\displaystyle [1,2]에서 P,Q\displaystyle P,Q의 가속도의 차이가 2 미만이다.

3. p′′(t)=−3t2+8t+a, q′′(t)=4bt2+12t+2a\displaystyle p^{\prime\prime}(t)=-3t^2+8t+a,\ q^{\prime\prime}(t)=4bt^2+12t+2a이므로 출발 후 두 점의 가속도가 같아지는 순간이 존재할 조건은t\displaystyle t에 대한 방정식 (4b+3)t2+4t+a=0\displaystyle (4b+3)t^2+4t+a=0의 양수해가 존재하기 위한 조건과 같다.따라서 함수 f(t)=(4b+3)t2+4t+a\displaystyle f(t)=(4b+3)t^2+4t+a를 생각하자.

㉠ 4b+3>0\displaystyle 4b+3>0일 때 y=f(t)\displaystyle y=f(t)의 그래프의 중심축이 t=−24b+3<0\displaystyle t=-\frac2{4b+3}<0이므로

축이 음수인 위로 열린 포물선

f(0)<0\displaystyle f(0)<0이면 양수해가 존재한다.∴ a<0\displaystyle a<0이고 이때 양수해는 t=−2+4−a(4b+3)4b+3\displaystyle t=\frac{-2+\sqrt{4-a(4b+3)}}{4b+3}이다.

㉡ 4b+3<0\displaystyle 4b+3<0일 때 y=f(t)\displaystyle y=f(t)의 그래프의 중심축이 t=−24b+3>0\displaystyle t=-\frac2{4b+3}>0이므로

축이 양수인 아래로 열린 포물선

실근을 가지면 양수해가 존재한다.∴ 4−a(4b+3)≥0\displaystyle 4-a(4b+3)\ge0이다. 즉 44b+3≤a\displaystyle \frac4{4b+3}\le a이다.

(i) 44b+3≤a<0\displaystyle \frac4{4b+3}\le a<0일 때 t=−2±4−a(4b+3)4b+3\displaystyle t=\frac{-2\pm\sqrt{4-a(4b+3)}}{4b+3}이다.

a<0일 때 양의 두 근을 갖는 포물선

(ii) 0≤a\displaystyle 0\le a일 때 t=−2−4−a(4b+3)4b+3\displaystyle t=\frac{-2-\sqrt{4-a(4b+3)}}{4b+3}이다.

a≥0일 때 양의 근 하나를 갖는 포물선

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