수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

오류 제보

문제

함수 f(x)\displaystyle f(x)의 x=a\displaystyle x=a에서의 미분계수 f′(a)\displaystyle f^{\prime}(a)는 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))에서의 접선의 기울기를 나타낸다.

(※) 실수 전체에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 f(x)=(x2−3)2\displaystyle f(x)=(x^2-3)^2을 만족한다.

(2-1) 점 (t,(t2−3)2)\displaystyle (t,(t^2-3)^2)에서 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프에 접하는 직선이 점 P(a,b)\displaystyle P(a,b)를 지날 때, b\displaystyle b를 t\displaystyle t와 a\displaystyle a의 식으로 나타내시오. (5점)

(2-2) 점 P(1,b)\displaystyle P(1,b)를 지나고 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프에 접하는 직선의 개수를 b\displaystyle b의 값의 범위에 따라 구하시오. (10점)

(2-3) 2≤a≤3\displaystyle 2\le a\le3일 때, 점 P(a,b)\displaystyle P(a,b)를 지나고 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프에 접하는 직선이 4개 존재하도록 하는 P(a,b)\displaystyle P(a,b)의 집합을 S\displaystyle S라 하자. S\displaystyle S의 넓이를 구하시오. (10점)

해설강의 준비중
5 · (2-1)

(2-1) (5점) 점 (t,(t2−3)2)\displaystyle (t,(t^2-3)^2)에서 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프에 접하는 접선의 방정식은y=t4−6t2+9+(4t3−12t)(x−t)\displaystyle y=t^4-6t^2+9+(4t^3-12t)(x-t)이다. 직선이 점 P(a,b)\displaystyle P(a,b)를 지나므로b=t4−6t2+9+(4t3−12t)(a−t)\displaystyle b=t^4-6t^2+9+(4t^3-12t)(a-t)이 성립한다.

10 · (2-2)

(2-2) (10점) 편의상g(t)=3t4−4t3−6t2+12t+b−9\displaystyle g(t)=3t^4-4t^3-6t^2+12t+b-9라 두자. 점 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))에서 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프에 접하는 접선이 점 P(1,b)\displaystyle P(1,b)를 지날 때, t\displaystyle t는 방정식 g(t)=0\displaystyle g(t)=0의 실근이다. 접선의 개수를 구하기 위해 t\displaystyle t의 방정식 g(t)=0\displaystyle g(t)=0의 서로 다른 실근의 개수를 파악한다. 이를 위해 g(t)\displaystyle g(t)의 그래프의 개형을 그려본다.g′(t)=12t3−12t2−12t+12=12(t+1)(t−1)2\displaystyle g^{\prime}(t)=12t^3-12t^2-12t+12=12(t+1)(t-1)^2이므로 t<−1\displaystyle t<-1일 때 g′(t)<0\displaystyle g^{\prime}(t)<0이고, t∈(−1,1)∪(1,∞)\displaystyle t\in(-1,1)\cup(1,\infty)일 때 g′(t)>0\displaystyle g^{\prime}(t)>0이다. 그리고lim⁡t→−∞g(t)=∞=lim⁡t→∞g(t)\displaystyle \lim_{t\to-\infty}g(t)=\infty=\lim_{t\to\infty}g(t)이다. 따라서 방정식 g(t)=0\displaystyle g(t)=0의 서로 다른 실근의 수는b−20=g(−1)<0\displaystyle b-20=g(-1)<0일 때 2개,b−20=g(−1)=0\displaystyle b-20=g(-1)=0일 때 1개,b−20=g(−1)>0\displaystyle b-20=g(-1)>0일 때 0개이다.이제 서로 다른 접점에서 하나의 접선이 생기는 경우를 찾자. 서로 다른 두 점 P(t1,(t12−3)2)\displaystyle P(t_1,(t_1^2-3)^2)와 Q(t2,(t22−3)2)\displaystyle Q(t_2,(t_2^2-3)^2)에서 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프에 접하는 접선의 방정식은 각각y=(4t13−12t1)x−3t14+6t12+9,y=(4t23−12t2)x−3t24+6t22+9\displaystyle y=(4t_1^3-12t_1)x-3t_1^4+6t_1^2+9,\qquad y=(4t_2^3-12t_2)x-3t_2^4+6t_2^2+9이다. 두 직선이 같은 경우는 기울기와 y\displaystyle y절편이 모두 같을 때이다. 즉,t13−3t1=t23−3t2\displaystyle t_1^3-3t_1=t_2^3-3t_2이고 t14−2t12−3=t24−2t22−3\displaystyle t_1^4-2t_1^2-3=t_2^4-2t_2^2-3일 때이다. 이 방정식을 다시 쓰면(t1−t2)(t12+t1t2+t22−3)=0———- (1)\displaystyle (t_1-t_2)(t_1^2+t_1t_2+t_2^2-3)=0\qquad\text{---------- (1)}(t1−t2)(t1+t2)(t12+t22−2)=0———- (2)\displaystyle (t_1-t_2)(t_1+t_2)(t_1^2+t_2^2-2)=0\qquad\text{---------- (2)}이다. t1≠t2\displaystyle t_1\ne t_2이므로 등식 (2)로부터 t2=−t1\displaystyle t_2=-t_1이거나 t12+t22=2\displaystyle t_1^2+t_2^2=2이다. t12+t22=2\displaystyle t_1^2+t_2^2=2이면 등식 (1)에 의해0=t12+t1t2+t22−3=t1t2−1\displaystyle 0=t_1^2+t_1t_2+t_2^2-3=t_1t_2-1이다. 따라서 t12+1t12=2\displaystyle t_1^2+\frac1{t_1^2}=2 (t1≠0\displaystyle t_1\ne0)이고, 이를 풀면 t1=t2=±1\displaystyle t_1=t_2=\pm1이 되어 t1≠t2\displaystyle t_1\ne t_2임에 모순이다. 그러므로 t2=−t1\displaystyle t_2=-t_1이다. 이를 등식 (1)에 대입하면0=t12+t1t2+t22−3=t12−3\displaystyle 0=t_1^2+t_1t_2+t_2^2-3=t_1^2-3이 되어 t1=±3, t2=∓3\displaystyle t_1=\pm\sqrt3,\ t_2=\mp\sqrt3이다. 따라서 점 (1,b)\displaystyle (1,b)를 지나고 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프에 접하는 직선이 서로 다른 두 접점을 가질 때, 접점은 (±3,0)\displaystyle (\pm\sqrt3,0)이고 접선의 방정식은 y=0\displaystyle y=0이다. 이 경우는 b=0\displaystyle b=0일 때이다. 그러므로 구하려는 (서로 다른) 접선의 개수는(i) b<0\displaystyle b<0이거나 0<b<20\displaystyle 0<b<20이면 2개,(ii) b=0\displaystyle b=0이거나 b=20\displaystyle b=20이면 1개,(iii) b>20\displaystyle b>20이면 0개이다.

10 · (2-3)

(2-3) (10점) 편의상G(t)=3t4−4at3−6t2+12at+b−9\displaystyle G(t)=3t^4-4at^3-6t^2+12at+b-9라 두자. 점 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))에서 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프에 접하고 점 P(a,b)\displaystyle P(a,b)를 지나는 서로 다른 접선이 4개 존재하면 방정식 G(t)=0\displaystyle G(t)=0의 서로 다른 실근이 4개 존재해야 한다.G′(t)=12t3−12at2−12t+12a=12(t+1)(t−1)(t−a)\displaystyle G^{\prime}(t)=12t^3-12at^2-12t+12a=12(t+1)(t-1)(t-a)이고 2≤a≤3\displaystyle 2\le a\le3이므로, t∈(−∞,−1)∪(1,a)\displaystyle t\in(-\infty,-1)\cup(1,a)일 때 G′(t)<0\displaystyle G^{\prime}(t)<0이고, t∈(−1,1)∪(a,∞)\displaystyle t\in(-1,1)\cup(a,\infty)일 때 G′(t)>0\displaystyle G^{\prime}(t)>0이다. 그리고 lim⁡t→−∞G(t)=∞=lim⁡t→∞G(t)\displaystyle \lim_{t\to-\infty}G(t)=\infty=\lim_{t\to\infty}G(t)이다. 따라서 방정식 G(t)=0\displaystyle G(t)=0이 서로 다른 네 개의 실근을 가질 필요충분조건은G(−1)<0\displaystyle G(-1)<0이고 G(1)>0\displaystyle G(1)>0이고 G(a)<0\displaystyle G(a)<0이다. 한편G(−1)−G(a)=a4−6a2−8a−3=(a+1)3(a−3)≤0\displaystyle G(-1)-G(a)=a^4-6a^2-8a-3=(a+1)^3(a-3)\le0이므로, G(t)=0\displaystyle G(t)=0이 서로 다른 네 개의 실근을 가질 필요충분조건은G(1)>0\displaystyle G(1)>0이고 G(a)<0\displaystyle G(a)<0이다. 이를 다시 쓰면12−8a<b<a4−6a2+9\displaystyle 12-8a<b<a^4-6a^2+9이다. 그런데 (2-2)의 풀이에 따르면 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프에 접하는 직선이 서로 다른 두 접점을 가지는 경우는 b=0\displaystyle b=0뿐이다. 그러므로 2≤a≤3\displaystyle 2\le a\le3일 때 서로 다른 네 접선이 존재할 필요충분조건은12−8a<b<a4−6a2+9\displaystyle 12-8a<b<a^4-6a^2+9이고 b≠0\displaystyle b\ne0이다. 선분은 영역의 넓이에 영향을 주지 않으므로, S\displaystyle S의 넓이를 구할 때 b\displaystyle b가 0인 조건은 무시해도 좋다. 따라서 S\displaystyle S의 넓이는∫23(a4−6a2+9−(12−8a)) da=[a55−2a3+4a2−3a]23=1065\displaystyle \int_2^3(a^4-6a^2+9-(12-8a))\,da=\Biggl[\frac{a^5}5-2a^3+4a^2-3a\Biggr]_2^3=\frac{106}5이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.