(가)n개의 수 a1, a2, ⋯, an이 주어졌을 때, 이들을 대표하는 값으로는 평균, 중앙값 등이 있고 분산은 이들이 평균으로부터 얼마만큼 벗어나 있는지를 나타내는 양이다.
(나)수직선 위의 두 점 a1, a2 사이의 거리는 ∣a1−a2∣이다.
(다)좌표평면 위의 두 점 P1(a1,b1), P2(a2,b2)사이의 거리는
P1P2=(a1−a2)2+(b1−b2)2 이다.
(1)수직선 위의 점 x와 주어진 n개의 점 a1, a2, ⋯, an사이의 거리의 제곱의 합을 f(x)라 하자. 즉, f(x)=∣x−a1∣2+∣x−a2∣2+⋯+∣x−an∣2이다. 이때, f(x)가 최소가 되는 점 x=a를 구하고, 위 제시문 (가)를 참고하여 a와 f(a)를 설명하시오.
(2)좌표평면 위의 점 P(x,y)와 주어진 n개의 점 P1, P2, ⋯, Pn 사이의 거리의 제곱의 합 PP12+PP22+⋯+PPn2이 점 P=P0에서 최소가 된다고 하자. 이때, 벡터 OP0를 OP1, OP2, ⋯, OPn을 이용하여 나타내고, P0P1+P0P2+⋯+P0Pn을 구하시오. 단, O는 좌표평면의 원점이다.
(3)수직선 위의 점 x와 주어진 n개의 점 a1, a2, ⋯, an 사이의 거리의 합을 g(x)라 하자. 즉, g(x)=∣x−a1∣+∣x−a2∣+⋯+∣x−an∣이다. 함수 y=g(x)의 그래프의 개형을 그리고, 이 함수가 미분가능한 각 구간에서 그래프의 기울기를 각각 구하시오. 또한 g(x)가 최소가 되는 점 x를 모두 구하시오. 단, a1<a2<⋯<an이다. (힌트: n이 홀수와 짝수인 경우를 나누어 각각 구하시오.)
해설강의 준비중
홍익대 서울캠퍼스 2020학년도 수시 자연계열 2번 · mathesis.kr/archive/hongik_seoul/2020su/jayeon_2
+4점 · 함수 f(x)가 최소가 되는 점을 구하고 과정을 설명함 (3점)
함수가 최소가 되는 점과 이때 최솟값이 각각 평균, 분산×n임을 적음 (1점)
+9점 · n+1개의 구간 (−∞,a1),(a1,a2),(a2,a3),⋯,(an−1,an),(an,∞)으로 나누어 각 구간에서 g(x)의 그래프의 기울기를 구하고 설명함 (3점)
n이 홀수일 경우, 그래프의 개형을 그리고 g(x)가 최소가 되는 점을 구하고 설명함 (3점)
n이 짝수일 경우, 그래프의 개형을 그리고 g(x)가 최소가 되는 점을 모두 구하고 설명함 (3점)
(3) x≤c이면 ∣x−c∣=−(x−c)이고, c≤x이면 ∣x−c∣=(x−c)이다. 따라서
각 구간 (−∞,a1),(a1,a2),(a2,a3),⋯,(an−1,an),(an,∞)에서 기울기는
−n,−n+2,−n+4,⋯,n이다. (기울기는 −n부터 n까지 2씩 증가)
전체적인 그래프의 개형은 다음과 같다.
n=2m+1이 홀수이면 각 구간에서 기울기는 −n,−n+2,⋯,−1,1,⋯,n이고 구간 (am,am+1),(am+1,am+2)에서 그래프의 기울기가 각각 −1,1이므로 함수의 증감으로부터 g(x)는 x=am+1=a2n+1에서 최솟값을 취한다.
최솟점 근방에서 그래프의 개형은 다음과 같다.
(※ 만약 홀수 n을 n=2m+1이 아니라 n=2m−1로 나타내었을 경우 g(x)는 x=am=a2n+1에서 최솟값을 취한다.
n=2m이 짝수이면 각 구간에서 기울기는 −n,−n+2,⋯,−2,0,2,⋯,n이고 구간 (am,am+1)과 그 왼쪽, 오른쪽 구간에서 그래프의 기울기가 각각 0,−2,2이므로 함수의 증감으로부터 g(x)는 am≤x≤am+1인 모든 x에서 최솟값을 취한다. 최솟점 근방에서 그래프의 개형은 다음과 같다.