수리논술, 이게 다다.

자연계열 2-2번

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문제

닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 두 함수 f(x)=1mxm\displaystyle f(x)=\frac{1}{m}x^{m}과 g(x)=1−1−x2\displaystyle g(x)=1-\sqrt{1-x^{2}}이 주어져 있다.

곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)가 오직 한 개의 점에서만 만나기 위한 양의 실수 m\displaystyle m의 범위를 구하시오.

해설강의 준비중

양의 실수 m\displaystyle m의 값과 상관없이 항상 f(0)=0=g(0)\displaystyle f(0)=0=g(0)이므로, 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)가 0<x≤1\displaystyle 0<x\le1의 범위에서 만나지 않도록 하는 m\displaystyle m의 범위를 구하면 된다. 다음과 같이 네 가지 경우로 나누어 조사해보자.

+10점 · 0<m<1\displaystyle 0<m<1일 때 두 곡선이 한 점에서 만남을 보였는가?

0<m<1\displaystyle 0<m<1: 이 경우 0<x≤1\displaystyle 0<x\le1일 때, g(x)=1−1−x2≤x<1mxm=f(x)\displaystyle g(x)=1-\sqrt{1-x^{2}}\le x<\frac{1}{m}x^{m}=f(x)이므로 두 곡선은 만나지 않는다.

+15점 · 1≤m<2\displaystyle 1\le m<2일 때 두 곡선이 두 점 이상에서 만남을 보였는가?

m=1\displaystyle m=1: 이 경우 f(1)=1=g(1)\displaystyle f(1)=1=g(1)이므로 두 곡선은 점 (1,1)\displaystyle (1,1)에서 만난다.

1<m<2\displaystyle 1<m<2: 이 경우 0<x≤1\displaystyle 0<x\le1일 때, 1−1mxm≥0\displaystyle 1-\frac{1}{m}x^{m}\ge0이므로f(x)=g(x)⇔1−x2=1−1mxm⇔1−x2=(1−1mxm)2⇔−x2=−2mxm+1m2x2m⇔x2m−1−2mxm−1+m2x=0\displaystyle \begin{aligned}f(x)=g(x)\quad&\Leftrightarrow\quad\sqrt{1-x^{2}}=1-\frac{1}{m}x^{m}\quad\Leftrightarrow\quad1-x^{2}=\left(1-\frac{1}{m}x^{m}\right)^{2}\\&\Leftrightarrow\quad-x^{2}=-\frac{2}{m}x^{m}+\frac{1}{m^{2}}x^{2m}\quad\Leftrightarrow\quad x^{2m-1}-2mx^{m-1}+m^{2}x=0\end{aligned}이다. 함수 h(x)=x2m−1−2mxm−1+m2x\displaystyle h(x)=x^{2m-1}-2mx^{m-1}+m^{2}x는 h(0)=0, lim⁡x→0+h′(x)=−∞\displaystyle h(0)=0,\ \lim_{x\to0^{+}}h^{\prime}(x)=-\infty를 만족하므로 h(a)<0\displaystyle h(a)<0인 a∈(0,1)\displaystyle a\in(0,1)가 존재한다. 함수 h(x)\displaystyle h(x)는 닫힌구간 [a,1]\displaystyle [a,1]에서 연속이고 h(a)<0<(m−1)2=h(1)\displaystyle h(a)<0<(m-1)^{2}=h(1)이므로사잇값 정리에 의해 h(c)=0\displaystyle h(c)=0인 c\displaystyle c가 열린구간 (a,1)\displaystyle (a,1)에 적어도 하나 존재한다.따라서 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)는 0<x≤1\displaystyle 0<x\le1의 범위에서 만난다.

+15점 · m≥2\displaystyle m\ge2일 때 두 곡선이 한 점에서 만남을 보였는가?

m≥2\displaystyle m\ge2: 이 경우 0<x≤1\displaystyle 0<x\le1일 때, 1−1mxm≥0\displaystyle 1-\frac{1}{m}x^{m}\ge0이므로f(x)=g(x)⇔1−x2=1−1mxm⇔1−x2=(1−1mxm)2⇔−x2=−2mxm+1m2x2m⇔2mxm−2=1+1m2x2m−2\displaystyle \begin{aligned}f(x)=g(x)\quad&\Leftrightarrow\quad\sqrt{1-x^{2}}=1-\frac{1}{m}x^{m}\quad\Leftrightarrow\quad1-x^{2}=\left(1-\frac{1}{m}x^{m}\right)^{2}\\&\Leftrightarrow\quad-x^{2}=-\frac{2}{m}x^{m}+\frac{1}{m^{2}}x^{2m}\quad\Leftrightarrow\quad\frac{2}{m}x^{m-2}=1+\frac{1}{m^{2}}x^{2m-2}\end{aligned}이다. 마지막 식의 좌변은 1\displaystyle 1보다 작거나 같고 우변은 1\displaystyle 1보다 크기 때문에 등식이 성립할 수 없으므로, 0<x<1\displaystyle 0<x<1에서 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)는 만나지 않는다.

따라서, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)가 한 점에서 만나도록 하는 양의 실수 m\displaystyle m의 범위는 0<m<1, m≥2\displaystyle 0<m<1,\ m\ge2이다.

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