수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2번] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

타원 2x2+y2=1\displaystyle 2 x^{2} + y^{2} = 1을 C\displaystyle C라 하고 a>1\displaystyle a > 1, b>1\displaystyle b > 1인 실수 a,b\displaystyle a , b에 대해 좌표가 (a,b)\displaystyle ( a , b )인 점을 A\displaystyle \mathrm{A}라 하자. 타원 C\displaystyle C 위의 점 중에서 점 A\displaystyle \mathrm{A}까지의 거리가 최소가 되는 점의 좌표를 (x0,y0)\displaystyle ( x_{0} , y_{0} )라 하면, 이 점의 x\displaystyle x좌표인 x0\displaystyle x_{0}은 다음의 4\displaystyle 4차 다항함수 f(x)\displaystyle f ( x )에 대하여 f(x0)=0\displaystyle f ( x_{0} ) = 0을 만족한다.

f(x)=2x4+4ax3+(가)x2−2ax−a2\displaystyle f(x)=2x^4+4ax^3+\boxed{\text{(가)}}x^2-2ax-a^2

1. 위 제시문의 (가)에 알맞은 식은 무엇인가?

2. a<32b\displaystyle a < \frac{3}{2} b일 때, 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 그래프의 개형을 그리시오.

3. x0=12\displaystyle x_{0} = \frac{1}{2}일 때, b\displaystyle b의 값을 a\displaystyle a를 이용하여 나타내시오.

해설강의 준비중

1. 거리가 최소가 되기 위한 필요조건은 점 A와 점 (x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0)를 연결하는 직선이 (x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0)에서의 접선에 수직이 되는 것이다. 접선의 기울기는 −2xy\displaystyle -\frac{2x}y이므로,y0−bx0−a=y02x0\displaystyle \frac{y_0-b}{x_0-a}=\frac{y_0}{2x_0}, 즉, y0=2bx0x0+a\displaystyle y_0=\frac{2bx_0}{x_0+a}가 되고 이를 2x2+y2=1\displaystyle 2x^2+y^2=1에 대입하면,2x4+4ax3+(2a2+4b2−1)x2−2ax−a2=0\displaystyle 2x^4+4ax^3+(2a^2+4b^2-1)x^2-2ax-a^2=0따라서 답은 2a2+4b2−1\displaystyle 2a^2+4b^2-1.

2. f′(x)=8x3+12ax2+2(2a2+4b2−1)x−2a,f′′(x)=24x2+24ax+2(2a2+4b2−1)\displaystyle f'(x)=8x^3+12ax^2+2(2a^2+4b^2-1)x-2a,\quad f''(x)=24x^2+24ax+2(2a^2+4b^2-1)인데,f′′(x)\displaystyle f''(x)의 판별식은 D=−192(−a2+4b2−1)\displaystyle D=-192(-a^2+4b^2-1)이다.a<32b\displaystyle a<\frac32b로부터 −a2+4b2−1>−94b2+4b2−1=74b2−1>0\displaystyle -a^2+4b^2-1>-\frac94b^2+4b^2-1=\frac74b^2-1>0이므로 D<0\displaystyle D<0이 되어 f′′(x)>0\displaystyle f''(x)>0이다.따라서 f′(x)\displaystyle f'(x)는 증가함수이며 실근을 오직 하나만 가지며 이 실근은 양수이다.(f′(0)=−2a<0\displaystyle f'(0)=-2a<0이므로.)이 실근을 x∗\displaystyle x^*라 하면 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 다음과 같은 개형을 가진다.

f(x)의 유일한 극솟값과 양수 x*를 나타낸 그래프

3. y0=2bx0x0+a\displaystyle y_0=\frac{2bx_0}{x_0+a}를 2x2+y2=1\displaystyle 2x^2+y^2=1에 대입하면,4b2x02(x0+a)2−(1−2x02)=0,(2bx0x0+a−1−2x02)(2bx0x0+a+1−2x02)=0\displaystyle \frac{4b^2x_0^2}{(x_0+a)^2}-(1-2x_0^2)=0,\quad\left(\frac{2bx_0}{x_0+a}-\sqrt{1-2x_0^2}\right)\left(\frac{2bx_0}{x_0+a}+\sqrt{1-2x_0^2}\right)=0이므로, 2bx0x0+a=1−2x02\displaystyle \frac{2bx_0}{x_0+a}=\sqrt{1-2x_0^2}이다.x0=12\displaystyle x_0=\frac12이면, b=(12+a)12=1+2a22.\displaystyle b=\left(\frac12+a\right)\frac1{\sqrt2}=\frac{1+2a}{2\sqrt2}.

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