수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

상경계열 2번

문제

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해설강의 준비중

1. 조건 <나>로부터 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 2x<4\displaystyle 2\le x<4에서 f(x)=f(x2)+2=(x2a)3+b(x2)+2\displaystyle f(x)=f(x-2)+2=(x-2-a)^3+b(x-2)+2이고, 이런 과정을 반복하면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 2kx<2k+2\displaystyle 2k\le x<2k+2(k\displaystyle k는 정수)에서 다항함수 y=(x2ka)3+b(x2k)+2k\displaystyle y=(x-2k-a)^3+b(x-2k)+2k와 일치함을 알 수 있다. 따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 2k<x<2k+2\displaystyle 2k<x<2k+2(k\displaystyle k는 정수)에서 연속이므로 x=2k\displaystyle x=2k에서 연속이면 실수 전체의 집합에서 연속이다. 그런데 f(2k)=limx2k+0f(x)\displaystyle f(2k)=\lim_{x\to2k+0}f(x)임은 자명하므로 식 f(2k)=limx2k0f(x)\displaystyle f(2k)=\lim_{x\to2k-0}f(x)이 성립하면 된다.그런데 f(2k)=f(0)+2k=a3+2k\displaystyle f(2k)=f(0)+2k=-a^3+2k이고 limx2k0f(x)=limx20f(x)+2k2=(2a)3+2b+2k2\displaystyle \lim_{x\to2k-0}f(x)=\lim_{x\to2-0}f(x)+2k-2=(2-a)^3+2b+2k-2이다.그러므로 방정식 a3+2k=(2a)3+2b+2k2\displaystyle -a^3+2k=(2-a)^3+2b+2k-2, 즉 b=3a2+6a3\displaystyle b=-3a^2+6a-3을 얻는다.2a2+b=a2+6a3\displaystyle \therefore2a^2+b=-a^2+6a-3a=3\displaystyle a=3일 때 최댓값 6을 갖는다.

2. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 미분가능하면 연속이므로 1번의 풀이로부터 b=3a2+6a3\displaystyle b=-3a^2+6a-3이다.또한 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 2k<x<2k+2\displaystyle 2k<x<2k+2(k\displaystyle k는 정수)에서 미분가능하므로 실수 전체의 집합에서 미분가능하려면limh0+f(2k+h)f(2k)h=limh0f(2k+h)f(2k)h\displaystyle \lim_{h\to0+}\frac{f(2k+h)-f(2k)}h=\lim_{h\to0-}\frac{f(2k+h)-f(2k)}h이 성립해야 한다. 그런데 문제의 조건으로부터limh0+f(2k+h)f(2k)h=3a2+b\displaystyle \lim_{h\to0+}\frac{f(2k+h)-f(2k)}h=3a^2+b이고 limh0f(2k+h)f(2k)h=3(2a)2+b\displaystyle \lim_{h\to0-}\frac{f(2k+h)-f(2k)}h=3(2-a)^2+b이다.따라서 방정식 3a2+b=3(2a)2+b\displaystyle 3a^2+b=3(2-a)^2+b이 성립해야 하므로 a=1\displaystyle a=1이고, 함수의 연속조건으로부터b=3a2+6a3=0\displaystyle b=-3a^2+6a-3=0이다.2a2+b\displaystyle \therefore2a^2+b의 값은 212+0=2\displaystyle 2\cdot1^2+0=2이다.

3. 구간 0x2\displaystyle 0\le x\le2(k\displaystyle k는 정수)에서 f(x)=3(x1)2\displaystyle f^{\prime}(x)=3(x-1)^2이므로 문제의 조건으로부터 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 0f(x)3\displaystyle 0\le f^{\prime}(x)\le3이다. 한편, g(x)=mxdf(x)\displaystyle g(x)=mx-d-f(x)라 하면 방정식 f(x)+d=mx\displaystyle f(x)+d=mx의 해의 개수는 함수 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프와 x\displaystyle x축의 교점의 개수와 같다.(ⅰ) m0\displaystyle m\le0일 때: 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 g(x)=mf(x)0\displaystyle g^{\prime}(x)=m-f^{\prime}(x)\le0이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 감소함수이다. 또한 limxf(x)=,\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=\infty,limxf(x)=\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=-\infty이므로 limxg(x)=, limxg(x)=\displaystyle \lim_{x\to\infty}g(x)=-\infty,\ \lim_{x\to-\infty}g(x)=\infty임을 알 수 있다. 그러므로 이 경우 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프와 x\displaystyle x축의 교점의 개수는 1개다. (\displaystyle \because사잇값정리)(ⅱ) m3\displaystyle m\ge3일 때: 이 경우 g(x)=mf(x)0\displaystyle g^{\prime}(x)=m-f^{\prime}(x)\ge0이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 증가함수이다. 한편, limxg(x)=,\displaystyle \lim_{x\to\infty}g(x)=\infty,limxg(x)=\displaystyle \lim_{x\to-\infty}g(x)=-\infty이므로(x\displaystyle \because x가 2만큼 증가할 때 f(x)\displaystyle f(x)는 2만큼 증가하지만 mxd\displaystyle mx-d2m6\displaystyle 2m\ge6만큼 증가) 이 경우도 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프와 x\displaystyle x축의 교점의 개수는 1개다.(ⅲ) 0<m<3\displaystyle 0<m<3일 때: 이 경우 x0=1+m3\displaystyle x_0=1+\sqrt{\frac m3}이라 하면 f(x0)=m\displaystyle f^{\prime}(x_0)=m이므로 g(x0)=0\displaystyle g^{\prime}(x_0)=0이다. 또한 1<x<x0\displaystyle 1<x<x_0일 때 g(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0이므로 이 구간에서 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 증가하고 x0<x<2\displaystyle x_0<x<2일 때 g(x)<0\displaystyle g^{\prime}(x)<0이므로 이 구간에서 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 감소한다. 그러므로 적당한 d\displaystyle d에 대하여 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프와 x\displaystyle x축의 교점의 개수가 2이상이 됨을 알 수 있다.(ⅰ)−(ⅲ)으로부터 문제의 조건을 만족시키는 실수 m\displaystyle m의 범위는 0<m<3\displaystyle 0<m<3이다.

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