수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후) 3번

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문제

양의 실수 a\displaystyle a와 다항함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 다음 조건을 만족시킨다.

(가) g(x)={f(x)+x2−1x2−a2(∣x∣≠a)3(x=a)−1(x=−a)\displaystyle g(x)=\begin{cases}\frac{f(x)+x^2-1}{x^2-a^2}&(|x|\ne a)\\3&(x=a)\\-1&(x=-a)\end{cases}(나) lim⁡x→∞g(x)x=1\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{g(x)}x=1(다) 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 실수 전체의 집합에서 연속이다.

다음 물음에 답하시오. (20점)

(1) f(3)\displaystyle f(3)의 값을 구하시오. (12점)

(2) lim⁡x→−1f(x)g(x)\displaystyle \lim_{x\to-1}\frac{f(x)}{g(x)}의 값을 구하시오. (8점)

해설강의 준비중

(1) f(3)\displaystyle f(3)의 값을 구하시오. (12점)

(풀이) 극한lim⁡x→∞g(x)x=lim⁡x→∞f(x)+x2−1x(x2−a2)\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{g(x)}x=\lim_{x\to\infty}\frac{f(x)+x^2-1}{x(x^2-a^2)} --- ①이 존재하려면 f(x)\displaystyle f(x)는 삼차함수이다. 조건 (나)에 의해 식 ①의 극한값이 1\displaystyle 1이므로, f(x)\displaystyle f(x)에서 x3\displaystyle x^3의 계수는 1\displaystyle 1이다.

함수 g(x)\displaystyle g(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 연속이므로lim⁡x→ag(x)=lim⁡x→af(x)+x2−1x2−a2=3\displaystyle \lim_{x\to a}g(x)=\lim_{x\to a}\frac{f(x)+x^2-1}{x^2-a^2}=3 --- ②이다. 삼차함수 f(x)\displaystyle f(x)가 식 ②를 만족하기 위해서는 f(x)+x2−1\displaystyle f(x)+x^2-1은 x−a\displaystyle x-a의 인수를 가져야 한다. 마찬가지로, 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 x=−a\displaystyle x=-a에서도 연속이므로lim⁡x→−ag(x)=lim⁡x→−af(x)+x2−1x2−a2=−1\displaystyle \lim_{x\to-a}g(x)=\lim_{x\to-a}\frac{f(x)+x^2-1}{x^2-a^2}=-1 --- ③이고, f(x)+x2−1\displaystyle f(x)+x^2-1은 x+a\displaystyle x+a의 인수를 갖는다.

+4점 · 식 f(x)+x2−1\displaystyle f(x)+x^2-1을 (x−a)(x+a)(x−b)\displaystyle (x-a)(x+a)(x-b)로 표현할 수 있다.

그러므로, f(x)+x2−1\displaystyle f(x)+x^2-1은 다음과 같이 나타낼 수 있다.f(x)+x2−1=(x−a)(x+a)(x−b)\displaystyle f(x)+x^2-1=(x-a)(x+a)(x-b) (단, b\displaystyle b는 실수) --- ④

+4점 · a=2\displaystyle a=2, b=−1\displaystyle b=-1을 구할 수 있다.

수식 ④를 식 ②에 대입하여 정리하면lim⁡x→ag(x)=lim⁡x→a(x−b)=a−b=3\displaystyle \lim_{x\to a}g(x)=\lim_{x\to a}(x-b)=a-b=3이다. 수식 ④를 식 ③에 대입하여 정리하면lim⁡x→−ag(x)=lim⁡x→−a(x−b)=−a−b=−1\displaystyle \lim_{x\to-a}g(x)=\lim_{x\to-a}(x-b)=-a-b=-1이다. 위의 두 식을 풀면 a=2\displaystyle a=2, b=−1\displaystyle b=-1이고,

+4점 · f(3)=12\displaystyle f(3)=12를 구할 수 있다.

식 ④로부터 함수 f(x)\displaystyle f(x)는f(x)=x3−4x−3\displaystyle f(x)=x^3-4x-3이다. 따라서, 문제에서 구하고자 하는 함숫값은 f(3)=12\displaystyle f(3)=12이다.

(2) lim⁡x→−1f(x)g(x)\displaystyle \lim_{x\to-1}\frac{f(x)}{g(x)}의 값을 구하시오. (8점)

+4점 · g(x)=x+1\displaystyle g(x)=x+1을 구할 수 있다.

(풀이) f(x)=x3−4x−3\displaystyle f(x)=x^3-4x-3이고 g(x)=x+1\displaystyle g(x)=x+1이므로

+4점 · lim⁡x→−1f(x)g(x)=−1\displaystyle \lim_{x\to-1}\frac{f(x)}{g(x)}=-1을 구할 수 있다.

lim⁡x→−1f(x)g(x)=lim⁡x→−1x3−4x−3x+1=lim⁡x→−1(x+1)(x2−x−3)x+1=lim⁡x→−1(x2−x−3)=−1\displaystyle \begin{aligned}\lim_{x\to-1}\frac{f(x)}{g(x)}&=\lim_{x\to-1}\frac{x^3-4x-3}{x+1}\\&=\lim_{x\to-1}\frac{(x+1)(x^2-x-3)}{x+1}\\&=\lim_{x\to-1}(x^2-x-3)\\&=-1\end{aligned}이다.

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