수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 f(x)=x3−x\displaystyle f(x)=x^3-x이다.

(나) 실수 a\displaystyle a가 주어질 때, 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 다음 성질을 만족한다.(ⅰ) g(x)\displaystyle g(x)는 일차함수 또는 상수함수이다.(ⅱ) f(a)−g(a)=a\displaystyle f(a)-g(a)=a(ⅲ) f′(a)−g′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)-g^{\prime}(a)=0

2-1) 두 그래프 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)는 한 점에서 만난다. 그 이유를 설명하시오. (15점)

2-2) 두 그래프 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 교점의 x\displaystyle x좌표는 a\displaystyle a가 바뀔 때마다 달라진다. 따라서, 이 교점의 x\displaystyle x좌표는 a\displaystyle a에 관한 함수인 h(a)\displaystyle h(a)라 할 수 있다. 함수 h(a)\displaystyle h(a)는 다음 성질을 만족한다.0\displaystyle 0이 아닌 a\displaystyle a에 대하여 −ah(a)>a2\displaystyle -ah(a)>a^2이다.이 성질이 성립하는 이유를 설명하시오. (15점)

2-3) 극한값 lim⁡a→∞h(a)a\displaystyle \lim_{a\to\infty}\frac{h(a)}a가 존재할 때, 그 값을 구하고 그 근거를 설명하시오. (10점)

해설강의 준비중
+15점 · 주어진 실수 a\displaystyle a에 대하여, 조건 (가), (나)를 만족하는 직선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)를 구하고, 그 과정을 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

2-1) 조건 (i)-(iii)으로부터g(x)=(3a2−1)x−2a3−a\displaystyle g(x)=(3a^2-1)x-2a^3-a이다. k(x)=f(x)−g(x)\displaystyle k(x)=f(x)-g(x)라 하면k(x)=x3−3a2x+2a3+a\displaystyle k(x)=x^3-3a^2x+2a^3+a이다. a=0\displaystyle a=0일 때와 a≠0\displaystyle a\ne0인 경우로 나누어 생각해 보면, a=0\displaystyle a=0일 때는 k(x)=x3\displaystyle k(x)=x^3이므로 k(x)=0\displaystyle k(x)=0은 하나의 실근을 갖는다. 따라서, a=0\displaystyle a=0일 때 두 그래프 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)는 한 점에서 만난다.이제 a≠0\displaystyle a\ne0이라 하자. k(x)\displaystyle k(x)를 미분하면 k′(x)=3x2−3a2\displaystyle k^{\prime}(x)=3x^2-3a^2이다. 따라서 a≠0\displaystyle a\ne0일 때, k(x)\displaystyle k(x)는 x=∣a∣\displaystyle x=|a|에서 극솟값, x=−∣a∣\displaystyle x=-|a|에서 극댓값을 갖는다.■ a>0\displaystyle a>0인 경우:k(x)\displaystyle k(x)의 극솟값은 x=a\displaystyle x=a일 때 k(a)=a3−3a3+2a3+a=a>0\displaystyle k(a)=a^3-3a^3+2a^3+a=a>0이다.■ a<0\displaystyle a<0인 경우:k(x)\displaystyle k(x)의 극댓값은 x=a\displaystyle x=a일 때 k(a)=a3−3a3+2a3+a=a<0\displaystyle k(a)=a^3-3a^3+2a^3+a=a<0이다.두 경우 모두 y=k(x)\displaystyle y=k(x)는 x\displaystyle x축과 한 점에서 만난다. 따라서 a≠0\displaystyle a\ne0인 경우에도 두 그래프 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)는 한 점에서 만난다.

+15점 · y=f(x)−g(x)\displaystyle y=f(x)-g(x)의 그래프를 활용하여, 두 그래프 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 교점의 x\displaystyle x좌표 h(a)\displaystyle h(a)가 “0\displaystyle 0이 아닌 a\displaystyle a에 대하여 −ah(a)>a2\displaystyle -ah(a)>a^2”임을 보이고, 그 과정을 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

2-2) k(x)=f(x)−g(x)\displaystyle k(x)=f(x)-g(x)라 하면, k(x)=x3−3a2x+2a3+a\displaystyle k(x)=x^3-3a^2x+2a^3+a이다.■ a>0\displaystyle a>0인 경우:k(−a)=4a3+a>0\displaystyle k(-a)=4a^3+a>0이고 lim⁡x→−∞k(x)=−∞\displaystyle \lim_{x\to-\infty}k(x)=-\infty이므로 y=k(x)\displaystyle y=k(x)는 (−∞,−a)\displaystyle (-\infty,-a)에서 x\displaystyle x축과 만난다. 따라서, h(a)<−a\displaystyle h(a)<-a이다.■ a<0\displaystyle a<0인 경우:k(−a)=4a3+a<0\displaystyle k(-a)=4a^3+a<0이고 lim⁡x→∞k(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to\infty}k(x)=\infty이므로 y=k(x)\displaystyle y=k(x)는 (−a,∞)\displaystyle (-a,\infty)에서 x\displaystyle x축과 만난다. 따라서, h(a)>−a\displaystyle h(a)>-a이다. 따라서, a≠0\displaystyle a\ne0일 때, −ah(a)>a2\displaystyle -ah(a)>a^2이다.

+10점 · f(h(a))−g(h(a))=0\displaystyle f(h(a))-g(h(a))=0으로부터 극한값 lim⁡a→∞h(a)a\displaystyle \lim_{a\to\infty}\frac{h(a)}a가 존재할 때, 그 값을 구하고, 그 과정을 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

2-3) k(x)=f(x)−g(x)\displaystyle k(x)=f(x)-g(x)라 하면, k(x)=x3−3a2x+2a3+a\displaystyle k(x)=x^3-3a^2x+2a^3+a이다. h(a)\displaystyle h(a)는 k(x)=0\displaystyle k(x)=0의 해이므로 h(a)\displaystyle h(a)는(h(a))3−3a2h(a)+2a3+a=0\displaystyle (h(a))^3-3a^2h(a)+2a^3+a=0을 만족한다. 따라서(h(a)a)3−3(h(a)a)+2+1a2=0\displaystyle \left(\frac{h(a)}a\right)^3-3\left(\frac{h(a)}a\right)+2+\frac1{a^2}=0이다. 이 식에 a→∞\displaystyle a\to\infty를 양변에 취하고 X=lim⁡a→∞h(a)a\displaystyle X=\lim_{a\to\infty}\frac{h(a)}a라 놓으면X3−3X+2=(X−1)2(X+2)=0\displaystyle X^3-3X+2=(X-1)^2(X+2)=0을 얻는다. 문제 2-2)에 의해 X=lim⁡a→∞h(a)a≤−1\displaystyle X=\lim_{a\to\infty}\frac{h(a)}a\le-1이므로 lim⁡a→∞h(a)a=−2\displaystyle \lim_{a\to\infty}\frac{h(a)}a=-2이다.

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