수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

수학과학우수자 2번

문제

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해설강의 준비중
10 · (2-1)

(2-1)f(x)=x3ax+2\displaystyle f(x)=x^3-ax+2이라 놓자. 삼차방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이 서로 다른 세 실근을 가지려면 “f(x)=3x2a=0\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-a=0이 서로 다른 두 실근을 가지고 (극댓값)×(극솟값)<0\displaystyle <0”이어야 한다. 따라서 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 판별식이 양수, 즉 a>0\displaystyle a>0이고 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 두 실근 ±a3\displaystyle \pm\sqrt{\frac a3}에 대해 f(a3)f(a3)<0  (a3)3/2>1  a>3\displaystyle f\left(-\sqrt{\frac a3}\right)f\left(\sqrt{\frac a3}\right)<0\ \Leftrightarrow\ \left(\frac a3\right)^{3/2}>1\ \Leftrightarrow\ a>3이다. 따라서 삼차방정식 x3ax+2=0\displaystyle x^3-ax+2=0이 서로 다른 세 실근을 가질 a\displaystyle a의 범위는 a>3\displaystyle a>3이다.

20 · (2-2)

(2-2)포물선 y=x2/2\displaystyle y=x^2/2 위의 점 (xk,yk)\displaystyle (x_k,y_k)에서 접선은 yyk=xk(xxk)\displaystyle y-y_k=x_k(x-x_k)이다. 그러므로 (xk,yk)\displaystyle (x_k,y_k)를 지나고 이 접선에서 포물선 y=x2/2\displaystyle y=x^2/2에 수직인 직선, 즉 법선은(xxk)+xk(yyk)=0\displaystyle (x-x_k)+x_k(y-y_k)=0 --- (1) 이다. 점 (xk,yk)\displaystyle (x_k,y_k)는 포물선 y=x2/2\displaystyle y=x^2/2 위의 점이고, 점 Q(α,β)\displaystyle Q(\alpha,\beta)는 법선 (1) 위의 점이므로0=(αxk)+xk(βyk)=(αxk)+xk(β12xk2)\displaystyle 0=(\alpha-x_k)+x_k(\beta-y_k)=(\alpha-x_k)+x_k\left(\beta-\frac12x_k^2\right)이다. 이를 정리하면 세 점의 x\displaystyle x좌표인 x1,x2,x3\displaystyle x_1,x_2,x_3는 삼차방정식 x3+(22β)x2α=0\displaystyle x^3+(2-2\beta)x-2\alpha=0의 서로 다른 세 실근이다. 편의상 f(x)=x3+(22β)x2α\displaystyle f(x)=x^3+(2-2\beta)x-2\alpha이라 두자. 삼차방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0 (2)가 서로 다른 세 실근을 가지려면f(x)=3x2+22β=0\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2+2-2\beta=0이 서로 다른 두 실근을 가지고 (극댓값)×(극솟값)<0\displaystyle <0”이어야 한다. 따라서 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 판별식이 양수, 즉 β>1\displaystyle \beta>1이고f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 두 실근 ±2β23\displaystyle \pm\sqrt{\frac{2\beta-2}3}에 대해 f(±2β23)=2(2β23)2α\displaystyle f\left(\pm\sqrt{\frac{2\beta-2}3}\right)=\mp2\left(\frac{2\beta-2}3\right)-2\alpha이므로,Correction. 괄호에 지수 3/2\displaystyle 3/2가 빠졌다. 극값은 2(2β23)3/22α\displaystyle \mp2\left(\frac{2\beta-2}3\right)^{3/2}-2\alpha이며, 바로 뒤의 부등식과 최종 영역은 올바르다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.f(2β23)f(2β23)<0  α2<(2β23)3 (2β23)3/2<α<(2β23)3/2\displaystyle \begin{aligned}f\left(-\sqrt{\frac{2\beta-2}3}\right)f\left(\sqrt{\frac{2\beta-2}3}\right)<0\ &\Leftrightarrow\ \alpha^2<\left(\frac{2\beta-2}3\right)^3\\&\Leftrightarrow\ -\left(\frac{2\beta-2}3\right)^{3/2}<\alpha<\left(\frac{2\beta-2}3\right)^{3/2}\end{aligned}이다.따라서 문제에서 α\displaystyle \alphaβ\displaystyle \beta가 만족해야 하는 조건은β>1, (2β23)3/2<α<(2β23)3/2\displaystyle \beta>1,\ -\left(\frac{2\beta-2}3\right)^{3/2}<\alpha<\left(\frac{2\beta-2}3\right)^{3/2}이다. 그리고 점 Q(α,β)\displaystyle Q(\alpha,\beta)가 그리는 영역을 개략적으로 그리면

세 법선이 만나는 점의 영역과 경계 곡선

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