수리논술, 이게 다다.

의학계 2번

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문제

【문항 2】다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

(가) 계수가 실수인 이차방정식 ax2+bx+c=0 (a≠0)\displaystyle ax^{2}+bx+c=0\ (a\ne 0)의 두 근을 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta라고 하면α+β=−ba, αβ=ca\displaystyle \alpha+\beta=-\frac{b}{a},\ \alpha\beta=\frac{c}{a}

(나) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 어떤 열린 구간에서 미분가능할 때, 그 구간의 모든 x\displaystyle x에 대하여1) f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 그 구간에서 증가한다.2) f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 그 구간에서 감소한다.

[2-1] p>0\displaystyle p>0일 때, 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 함수 f(x)=11+x+xx+p2\displaystyle f(x)=\frac{1}{\sqrt{1+x}}+\frac{\sqrt{x}}{\sqrt{x+p^{2}}}의 최솟값을 구하시오. (25점)

[2-2] ab≥3\displaystyle ab\ge 3일 때, 다음 부등식이 성립함을 보이시오. (10점)11+a2+11+b2≥21+ab\displaystyle \frac{1}{\sqrt{1+a^{2}}}+\frac{1}{\sqrt{1+b^{2}}}\ge\frac{2}{\sqrt{1+ab}}

해설강의 준비중
+13점 · 도함수를 구하고 이차방정식의 판별식과 근과 계수의 관계를 이용하여 도함수의 부호를 조사할 수 있다.

[2-1]f(x)\displaystyle f(x)의 그래프의 개형을 알아보기 위해 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호를 조사해보자.x>0\displaystyle x>0에 대하여f′(x)=−12(1+x)32+p22x (x+p2)32=−x (x+p2)32+p2(1+x)322x (1+x)32(x+p2)32\displaystyle f^{\prime}(x)=-\frac{1}{2(1+x)^{\frac{3}{2}}}+\frac{p^{2}}{2\sqrt{x}\,(x+p^{2})^{\frac{3}{2}}}=\frac{-\sqrt{x}\,(x+p^{2})^{\frac{3}{2}}+p^{2}(1+x)^{\frac{3}{2}}}{2\sqrt{x}\,(1+x)^{\frac{3}{2}}(x+p^{2})^{\frac{3}{2}}} 으로부터f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0 인 점을 찾아보면f′(x)=0  ⟺  p2(1+x)32=x (x+p2)32  ⟺  p4(1+x)3−x(x+p2)3=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0\iff p^{2}(1+x)^{\frac{3}{2}}=\sqrt{x}\,(x+p^{2})^{\frac{3}{2}}\iff p^{4}(1+x)^{3}-x(x+p^{2})^{3}=0 이고0=p4(1+x)3−x(x+p2)3=(p2−x2){x2−p2(p2−3)x+p2}\displaystyle 0=p^{4}(1+x)^{3}-x(x+p^{2})^{3}=(p^{2}-x^{2})\left\{x^{2}-p^{2}(p^{2}-3)x+p^{2}\right\}이므로x2−p2(p2−3)x+p2=0\displaystyle x^{2}-p^{2}(p^{2}-3)x+p^{2}=0의 해를 조사하기 위해 판별식을 조사해보면D=p4(p2−3)2−4p2=p2{p2(p2−3)2−4}=p2(p2−1)2(p2−4)\displaystyle D=p^{4}(p^{2}-3)^{2}-4p^{2}=p^{2}\left\{p^{2}(p^{2}-3)^{2}-4\right\}=p^{2}(p^{2}-1)^{2}(p^{2}-4)이다.

(i) p>2\displaystyle p>2 일 때, D>0\displaystyle D>0이므로x2−p2(p2−3)x+p2=0\displaystyle x^{2}-p^{2}(p^{2}-3)x+p^{2}=0는 서로 다른 두 실근을 갖는데, 두 실근을 α\displaystyle \alpha, β (α<β)\displaystyle \beta\ (\alpha<\beta)라고 하면,제시문 (가)에 의하여α+β=p2(p2−3)>0\displaystyle \alpha+\beta=p^{2}(p^{2}-3)>0, αβ=p2>0\displaystyle \alpha\beta=p^{2}>0이므로 0<α<p<β\displaystyle 0<\alpha<p<\beta임을 알 수 있다.f′(x)≥0  ⟺  p2(1+x)32≥x (x+p2)32  ⟺  p4(1+x)3−x(x+p2)3≥0\displaystyle f^{\prime}(x)\ge 0\iff p^{2}(1+x)^{\frac{3}{2}}\ge\sqrt{x}\,(x+p^{2})^{\frac{3}{2}}\iff p^{4}(1+x)^{3}-x(x+p^{2})^{3}\ge 0이므로f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호는 p4(1+x)3−x(x+p2)3\displaystyle p^{4}(1+x)^{3}-x(x+p^{2})^{3}의 부호와 일치한다. 그러므로p4(1+x)3−x(x+p2)3=(p2−x2){x2−p2(p2−3)x+p2}=−(x+p)(x−p)(x−α)(x−β)\displaystyle p^{4}(1+x)^{3}-x(x+p^{2})^{3}=(p^{2}-x^{2})\left\{x^{2}-p^{2}(p^{2}-3)x+p^{2}\right\}=-(x+p)(x-p)(x-\alpha)(x-\beta)의 x>0\displaystyle x>0일 때, 부호를 조사하면

p > 2일 때 도함수 y = f′(x)의 부호 그래프. 0과 α 사이에서 양, α와 p 사이에서 음, p와 β 사이에서 양, β보다 크면 음이다.
+7점 · 함수의 증가, 감소 하는 구간을 구하고 극값과 양 끝에서의 함숫값과 극한값을 구할 수 있다.

이므로, 제시문 (나)에 의해 x>0\displaystyle x>0일 때, f(x)\displaystyle f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면x0⋯α⋯p⋯β⋯f′(x)+−+−f(x)1↗↘↗↘\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c|c} x & 0 & \cdots & \alpha & \cdots & p & \cdots & \beta & \cdots \\\\ \hline f^{\prime}(x) & & + & & - & & + & & - \\\\ \hline f(x) & 1 & \nearrow & & \searrow & & \nearrow & & \searrow \end{array}최솟값이 될 수 있는 값은 lim⁡x→∞f(x)=1=f(0)\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=1=f(0)이고 f(p)=21+p\displaystyle f(p)=\frac{2}{\sqrt{1+p}} 인데

+5점 · 함수의 최솟값을 구할 수 있다.

p≥3\displaystyle p\ge 3이면 f(p)=21+p≤1\displaystyle f(p)=\frac{2}{\sqrt{1+p}}\le 1이므로 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 21+p\displaystyle \frac{2}{\sqrt{1+p}}이고2<p<3\displaystyle 2<p<3이면 f(p)=21+p>1\displaystyle f(p)=\frac{2}{\sqrt{1+p}}>1이므로 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 1이다.

(ii) 0<p≤2\displaystyle 0<p\le 2 일 때• p≠1\displaystyle p\ne 1, p≠2\displaystyle p\ne 2이면 D<0\displaystyle D<0이므로0<x<p\displaystyle 0<x<p이면 (p2−x2){x2−p2(p2−3)x+p2}>0\displaystyle (p^{2}-x^{2})\left\{x^{2}-p^{2}(p^{2}-3)x+p^{2}\right\}>0이고x>p\displaystyle x>p이면 (p2−x2){x2−p2(p2−3)x+p2}<0\displaystyle (p^{2}-x^{2})\left\{x^{2}-p^{2}(p^{2}-3)x+p^{2}\right\}<0이다.• p=1\displaystyle p=1 또는 p=2\displaystyle p=2이면 D=0\displaystyle D=0 이고0<x<p\displaystyle 0<x<p이면 (p2−x2){x2−p2(p2−3)x+p2}>0\displaystyle (p^{2}-x^{2})\left\{x^{2}-p^{2}(p^{2}-3)x+p^{2}\right\}>0이고x>p\displaystyle x>p 이면 (p2−x2){x2−p2(p2−3)x+p2}<0\displaystyle (p^{2}-x^{2})\left\{x^{2}-p^{2}(p^{2}-3)x+p^{2}\right\}<0이다.f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호를 조사하면

0 < p ≤ 2일 때 도함수 y = f′(x)의 부호 그래프. 0과 p 사이에서 양, p보다 크면 음이다.

제시문 (나)를 이용하여 f(x)\displaystyle f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면x0⋯p⋯f′(x)+−f(x)1↗↘\displaystyle \begin{array}{c|c|c|c|c} x & 0 & \cdots & p & \cdots \\\\ \hline f^{\prime}(x) & & + & & - \\\\ \hline f(x) & 1 & \nearrow & & \searrow \end{array}lim⁡x→∞f(x)=1=f(0)\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=1=f(0) 이므로 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 1이다.

그러므로 (i)과 (ii)의 결과를 종합해 보면p≥3\displaystyle p\ge 3이면 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 21+p\displaystyle \frac{2}{\sqrt{1+p}}이고,0<p<3\displaystyle 0<p<3 이면 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 1이다.

+3점 · 원하는 부등식을 보이기 위해 [2-1]의 결과를 이용한다.

[2-2][2-1]의 결과에 의하면ab≥3\displaystyle ab\ge 3이면 f(x)=11+x+xx+a2b2\displaystyle f(x)=\frac{1}{\sqrt{1+x}}+\frac{\sqrt{x}}{\sqrt{x+a^{2}b^{2}}}는 최솟값 21+ab\displaystyle \frac{2}{\sqrt{1+ab}}을 가지므로모든 x≥0\displaystyle x\ge 0에 대하여 11+x+xx+a2b2≥21+ab\displaystyle \frac{1}{\sqrt{1+x}}+\frac{\sqrt{x}}{\sqrt{x+a^{2}b^{2}}}\ge\frac{2}{\sqrt{1+ab}}이다.

+7점 · 함숫값의 최솟값을 이용하여 원하는 부등식이 성립함을 보일 수 있다.

그러므로 x=a2\displaystyle x=a^{2}일 때11+a2+a2a2+a2b2≥21+ab\displaystyle \frac{1}{\sqrt{1+a^{2}}}+\frac{\sqrt{a^{2}}}{\sqrt{a^{2}+a^{2}b^{2}}}\ge\frac{2}{\sqrt{1+ab}}즉, 11+a2+11+b2≥21+ab\displaystyle \frac{1}{\sqrt{1+a^{2}}}+\frac{1}{\sqrt{1+b^{2}}}\ge\frac{2}{\sqrt{1+ab}}가 성립한다.

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