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의예과 2번

문제

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함수 h(x)={(x1)(x4)(x4)2(x4)(x4)\displaystyle h(x)=\begin{cases}(x-1)(x-4)&(x\le4)\\-2(x-4)&(x\ge4)\end{cases}라 하면 문제에서 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 성질(i)은 다음과 같다.

g(t)=0β(h(x)tx)dx\displaystyle g(t)=\int_0^\beta(h(x)-tx)dx이고 이때 β\displaystyle \betah(β)=tβ\displaystyle h(\beta)=t\beta인 어떤 양의 실수이다.

+2점 · t=2\displaystyle t=-2일 때 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이 실근을 갖지 않는다는 것을 증명하면 +5점 · t>2\displaystyle t>-2일 때 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이 양의 실근을 갖는다는 것을 증명하면

(2-1) 모든 실수 t\displaystyle t에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 연속이다.t=2\displaystyle t=-2이면 f(x)={x23x+4(x4)8(x4)\displaystyle f(x)=\begin{cases}x^2-3x+4&(x\le4)\\8&(x\ge4)\end{cases}인데 x23x+4=(x32)2+74>0\displaystyle x^2-3x+4=\left(x-\frac{3}{2}\right)^2+\frac{7}{4}>0이므로 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 실근을 갖지 않는다. 한편, t>2\displaystyle t>-2이면 f(0)=4>0\displaystyle f(0)=4>0이고 x\displaystyle x가 커짐에 따라 f(x)\displaystyle f(x)가 무한히 작아지므로 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이 되는 양의 실수 x\displaystyle x가 존재한다.따라서, c=2\displaystyle c=-2이다.

t>0\displaystyle t>0일 때 h(x)=tx\displaystyle h(x)=tx의 해는 유일하게 존재한다. 이 해를 β\displaystyle \beta라 하면, g(t)=0βf(x)dx\displaystyle g(t)=\int_0^\beta f(x)dx이다. 또한, x(0,β)\displaystyle x\in(0,\beta)에 대하여 h(x)>tx\displaystyle h(x)>tx이므로 g(t)>0\displaystyle g(t)>0이다. 한편, limtg(t)=0\displaystyle \lim_{t\to\infty}g(t)=0이다.t=0\displaystyle t=0일 때 h(x)=tx=0\displaystyle h(x)=tx=0의 해는 1,4\displaystyle 1,4이므로 g(0)\displaystyle g(0)의 값은 01f(x)dx=116\displaystyle \int_0^1 f(x)dx=\frac{11}{6} 또는 04f(x)dx=83\displaystyle \int_0^4 f(x)dx=-\frac{8}{3}이다.1<t<0\displaystyle -1<t<0일 때는 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 세 개의 실근을 갖는다. 세 개의 실근을 α1<α2<α3\displaystyle \alpha_1<\alpha_2<\alpha_3라 하면0α1f(x)dx>0\displaystyle \int_0^{\alpha_1}f(x)dx>0, 0α3f(x)dx>0α2f(x)dx>83\displaystyle \int_0^{\alpha_3}f(x)dx>\int_0^{\alpha_2}f(x)dx>-\frac{8}{3}이다. 따라서 g(t)>83\displaystyle g(t)>-\frac{8}{3}이다.t=1\displaystyle t=-1일 때 직선 y=tx\displaystyle y=tx는 곡선 y=h(x)\displaystyle y=h(x)에 접하며 접점은 (2,2)\displaystyle (2,-2)이다. 또한 (2,2)\displaystyle (2,-2)이외의 다른 교점도 있다. 어떤 경우이든 g(1)>0\displaystyle g(-1)>0이다.2<t<1\displaystyle -2<t<-1이면 h(x)=tx\displaystyle h(x)=tx는 하나의 실근 β(>4)\displaystyle \beta(>4)를 갖고 g(t)>0\displaystyle g(t)>0이다.

+3점 · g(0)\displaystyle g(0)의 값이 01f(x)dx=116\displaystyle \int_0^1 f(x)dx=\frac{11}{6} 또는 04f(x)dx=83\displaystyle \int_0^4 f(x)dx=-\frac{8}{3}임을 밝히면 +7점 · g(0)=116\displaystyle g(0)=\frac{11}{6}인 이유를 정확하게 설명하면

(2-2) 위에서 관찰한 것에 따르면 0\displaystyle 0이 아닌 모든 t(2,)\displaystyle t\in(-2,\infty)에 대하여 g(t)>83\displaystyle g(t)>-\frac{8}{3}이고, g(0)\displaystyle g(0)의 함숫값은 116\displaystyle \frac{11}{6} 또는 83\displaystyle -\frac{8}{3}이다. 만약, g(0)=83\displaystyle g(0)=-\frac{8}{3}이면 g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값은 83\displaystyle -\frac{8}{3}이 되고 t=0\displaystyle t=0에서만 g(t)\displaystyle g(t)가 최솟값을 갖는다. 문제의 조건에서 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 값이 최소가 되는 t\displaystyle t의 값이 두 개 이상이라고 했으니 모순이다. 따라서 g(0)=01f(x)dx=116\displaystyle g(0)=\int_0^1 f(x)dx=\frac{11}{6}이다.

(2-3) 서로 다른 t1,t2 (t1<t2)\displaystyle t_1,t_2\ (t_1<t_2)에 대하여 t=t1,t2\displaystyle t=t_1,t_2일 때 g(t)\displaystyle g(t)가 최솟값 m\displaystyle m을 갖는다고 하자. limtg(t)=0\displaystyle \lim_{t\to\infty}g(t)=0이고 g(0)=01f(x)dx=116\displaystyle g(0)=\int_0^1 f(x)dx=\frac{11}{6}이므로 함수 g(t)\displaystyle g(t)116\displaystyle \frac{11}{6} 이하의 모든 양수를 함숫값으로 갖는다. 따라서 m\displaystyle m0\displaystyle 0 이하이다. 또한 2<t<1\displaystyle -2<t<-1t>0\displaystyle t>0에 대하여 g(t)\displaystyle g(t)는 항상 양수이므로 1<t1<t2<0\displaystyle -1<t_1<t_2<0임을 알 수 있다. 불연속점을 제외한 각 구간에서 g(t)\displaystyle g(t)는 감소한다. 따라서 g(t)\displaystyle g(t)t=t1,t2\displaystyle t=t_1,t_2에서 불연속이다.

+4점 · 직선 y=tx\displaystyle y=txy=(x1)(x4)\displaystyle y=(x-1)(x-4)에 접할 때 p\displaystyle p가 최소가 될 수 있음을 밝히면 +4점 · p=1\displaystyle p=-1임을 설명하면

(a) g(t)\displaystyle g(t)t(2,1)\displaystyle t\in(-2,-1)에서 연속이다. 따라서 불연속점 중 가장 작은 것은 p=1\displaystyle p=-1일 때 가능하다.

+2점 · 최솟값이 0\displaystyle 0 이하이고 최소가 되는 t\displaystyle t의 값이 (1,0)\displaystyle (-1,0)에 있어야 함을 관찰하면 +3점 · g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값 m\displaystyle m이 클수록 qp\displaystyle q-p의 값이 작아진다는 것임을 밝히면 +3점 · m=0\displaystyle m=0일 때 qp\displaystyle q-p의 값이 최소가 됨을 서술하면 +2점 · r=27\displaystyle r=-\frac{2}{7}임을 보이면

(b) p=1\displaystyle p=-1, q=t1\displaystyle q=t_1, r=t2\displaystyle r=t_2임을 안다. qp=t1+1\displaystyle q-p=t_1+1이 최소가 되려면 t1\displaystyle t_1의 값이 최소이어야 한다. g(t1)=m\displaystyle g(t_1)=m인데 m\displaystyle m이 클수록 t1\displaystyle t_1의 값은 작아진다. m0\displaystyle m\le0이어야 하므로 g(t1)=0\displaystyle g(t_1)=0일 때 qp\displaystyle q-p가 최소가 된다. 이때 r\displaystyle r의 값은 g(t2)=0\displaystyle g(t_2)=0이 되는 t2\displaystyle t_2의 값이다.g(t2)=0β2f(x)dx\displaystyle g(t_2)=\int_0^{\beta_2}f(x)dx라 하면 t2=2(β24)β2\displaystyle t_2=-\frac{2(\beta_2-4)}{\beta_2}이고0=0β2f(x)dx=04(x1)(x4)dx4β22(x4)dxt20β2xdx=83(β228β2+16)+β2(β24)=4β2563\displaystyle \begin{aligned}0=\int_0^{\beta_2}f(x)dx&=\int_0^4(x-1)(x-4)dx-\int_4^{\beta_2}2(x-4)dx-t_2\int_0^{\beta_2}xdx\\&=-\frac{8}{3}-(\beta_2^2-8\beta_2+16)+\beta_2(\beta_2-4)=4\beta_2-\frac{56}{3}\end{aligned}이다. 따라서 β2=143\displaystyle \beta_2=\frac{14}{3}이고 r=t2=27\displaystyle r=t_2=-\frac{2}{7}이다.

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