수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2-3번

문제

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+20점 · k\displaystyle k의 값에 따라 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 개형이 어떻게 나타나는지 설명하였는가?

f(x)=3x22x=x(3x2)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=3x^{2}-2x=x(3x-2)이므로 함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)x=0\displaystyle x=0에서 극대가 되며 극댓값은 f(0)=k\displaystyle f^{\prime}(0)=k이고, x=2/3\displaystyle x=2/3에서 극소가 되며 극솟값은 f(2/3)=4/27+k\displaystyle f^{\prime}(2/3)=-4/27+k이다. 그러므로 함수 y=f(x)\displaystyle y=f^{\prime}(x)의 그래프의 개형은 오른쪽 그림과 같다.

도함수 y=f′(x)의 삼차함수 그래프

이로부터 f(0)=k<0\displaystyle f^{\prime}(0)=k<0 또는 f(2/3)=4/27+k>0\displaystyle f^{\prime}(2/3)=-4/27+k>0일 경우 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0은 오직 1\displaystyle 1개의 근만을 가지며 이 점에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 극소임을 알 수 있고, f(0)=k=0\displaystyle f^{\prime}(0)=k=0 또는 f(2/3)=4/27+k=0\displaystyle f^{\prime}(2/3)=-4/27+k=0인 경우 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0은 서로 다른 2\displaystyle 2개의 근을 가지는데 이 중 한 근은 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 극값이 아니지만 나머지 한 점에서 f(x)\displaystyle f(x)가 극소임을 알 수 있으며, f(0)>0>f(2/3)\displaystyle f^{\prime}(0)>0>f^{\prime}(2/3), 즉 0<k<4/27\displaystyle 0<k<4/27인 경우 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0은 서로 다른 세 실근을 가지며 이 중 두 점에서는 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 극소, 나머지 한 점에서는 극대임을 확인할 수 있다.

+20점 · y=f(x)\displaystyle y=f(x)y=t\displaystyle y=t의 그래프의 교점의 개수가 t\displaystyle t의 값에 따라 어떻게 변하는지 설명하였는가?

그러므로 각각의 경우에 대해 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 개형을 확인하면 0<k<4/27\displaystyle 0<k<4/27인 경우는 직선 y=t\displaystyle y=t와 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 교점이 0\displaystyle 0개에서 최대 4\displaystyle 4개까지 생길 수 있음을 알 수 있다. k<0\displaystyle k<0 또는 k>4/27\displaystyle k>4/27인 경우는 직선 y=t\displaystyle y=t와 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 교점이 0\displaystyle 0개에서 최대 2\displaystyle 2개까지 생기거나, 오직 1\displaystyle 1개의 t\displaystyle t에 대해서만 교점이 1\displaystyle 1개가 생기므로, 이 경우 함수 g(t)\displaystyle g(t)는 오직 한 점에서만 연속이 아님을 알 수 있다. 마지막으로 k=0\displaystyle k=0 또는 k=4/27\displaystyle k=4/27인 경우는 k<0\displaystyle k<0 또는 k>4/27\displaystyle k>4/27인 경우와 같음을 알 수 있다. 그러므로 k0\displaystyle k\le0 또는 k4/27\displaystyle k\ge4/27이면 함수 g(t)\displaystyle g(t)는 연속이 아닌 점을 오직 1\displaystyle 1개만 갖는다.

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