수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

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

(가) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능할 때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))에서의 접선의 방정식은y=f′(a)(x−a)+f(a)\displaystyle y=f^{\prime}(a)(x-a)+f(a)이다.

(나) 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0이고, x=a\displaystyle x=a의 좌우에서1) f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 양에서 음으로 바뀌면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극대이다.2) f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 음에서 양으로 바뀌면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극소이다.

좌표평면 위의 점 (0,t)\displaystyle (0,t)에서 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 삼차함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프에 그을 수 있는 접선의 개수를 g(t)\displaystyle g(t)라 하자. 함수 y=g(t)\displaystyle y=g(t)의 그래프가 그림과 같을 때, 다음 물음에 답하시오.

t에 따른 접선의 개수 g(t)

[2-1] f(0)\displaystyle f(0)의 값을 모두 구하시오. (25점)

[2-2] f(0)<0\displaystyle f(0)<0이고, 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프 위의 점에서의 접선의 기울기의 최솟값이 −3\displaystyle -3일 때,함수 f(x)\displaystyle f(x)를 구하시오. (10점)

해설강의 준비중
+5점 · g(t)\displaystyle g(t)는 y=t\displaystyle y=t와 함수 y=−xf′(x)+f(x)\displaystyle y=-xf^{\prime}(x)+f(x)의 그래프의 교점의 개수임을 나타낼 수 있다.

[2-1]함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 그래프 위의 점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))에서의 접선의 방정식은 y=f′(a)(x−a)+f(a)\displaystyle y=f^{\prime}(a)(x-a)+f(a)이다.이 접선이 점 (0,t)\displaystyle (0,t)를 지나므로 t=−af′(a)+f(a)\displaystyle t=-af^{\prime}(a)+f(a)이다.이때 실수 t\displaystyle t에 대하여 t=−af′(a)+f(a)\displaystyle t=-af^{\prime}(a)+f(a)의 서로 다른 실근 a\displaystyle a의 개수가 g(t)\displaystyle g(t)이다.즉, h(x)=−xf′(x)+f(x)\displaystyle h(x)=-xf^{\prime}(x)+f(x)라 하면, g(t)\displaystyle g(t)는 직선 y=t\displaystyle y=t와 함수 y=h(x)\displaystyle y=h(x)의 그래프의 교점의 개수이다.

+5점 · f(x)=x3+bx2+cx+d\displaystyle f(x)=x^3+bx^2+cx+d이고, h(x)=−xf′(x)+f(x)\displaystyle h(x)=-xf^{\prime}(x)+f(x)라 할 때, h′(0)=h′(−b3)=0\displaystyle h^{\prime}(0)=h^{\prime}\left(-\frac b3\right)=0임을 구할 수 있다.

f(x)\displaystyle f(x)는 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 삼차함수이므로 f(x)=x3+bx2+cx+d\displaystyle f(x)=x^3+bx^2+cx+d라 하자.f′(x)=3x2+2bx+c\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2+2bx+c이므로 h(x)=−2x3−bx2+d\displaystyle h(x)=-2x^3-bx^2+d이고,h′(x)=−6x2−2bx=−2x(3x+b)\displaystyle h^{\prime}(x)=-6x^2-2bx=-2x(3x+b)이므로 h′(0)=h′(−b3)=0\displaystyle h^{\prime}(0)=h^{\prime}\left(-\frac b3\right)=0이다.

+5점 · b=0\displaystyle b=0이면 −xf′(x)+f(x)\displaystyle -xf^{\prime}(x)+f(x)는 감소함수이므로 주어진 조건을 만족하지 않음을 나타낼 수 있다.

이때,(i) b=0\displaystyle b=0이면 :h′(x)=−6x2≤0\displaystyle h^{\prime}(x)=-6x^2\le0이므로 h(x)\displaystyle h(x)는 감소함수이고,

b=0일 때 h의 그래프

y=t\displaystyle y=t의 교점의 개수는 항상 1\displaystyle 1개이므로 주어진 조건을 만족하지 않는다.

+5점 · b>0\displaystyle b>0일 때, f(0)=5\displaystyle f(0)=5임을 구할 수 있다.

(ii) b>0\displaystyle b>0이면, h(x)\displaystyle h(x)는 x=0\displaystyle x=0과 x=−b3\displaystyle x=-\frac b3에서 극값을 가지므로 다음과 같고,

b>0일 때 h의 극값

주어진 조건에 의해 g(−3)=g(5)=2\displaystyle g(-3)=g(5)=2이므로, h(0)=5\displaystyle h(0)=5이다. h(0)=f(0)\displaystyle h(0)=f(0)이므로 f(0)=5\displaystyle f(0)=5이다.

+5점 · b<0\displaystyle b<0일 때, f(0)=−3\displaystyle f(0)=-3임을 구할 수 있다.

(iii) b<0\displaystyle b<0이면, h(x)\displaystyle h(x)는 x=0\displaystyle x=0과 x=−b3\displaystyle x=-\frac b3에서 극값을 가지므로 다음과 같고,

b<0일 때 h의 극값

g(−3)=g(5)=2\displaystyle g(-3)=g(5)=2이므로, h(0)=−3\displaystyle h(0)=-3이다. h(0)=f(0)\displaystyle h(0)=f(0)이므로 f(0)=−3\displaystyle f(0)=-3이다.그러므로, f(0)\displaystyle f(0)가 될 수 있는 값은 5\displaystyle 5와 −3\displaystyle -3이다.

+1점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 상수항이 −3\displaystyle -3임을 구할 수 있다.

[2-2]f(0)<0\displaystyle f(0)<0이므로 [2-1]에 의해 f(0)=−3\displaystyle f(0)=-3이다.따라서 h(x)=−2x3−bx2−3\displaystyle h(x)=-2x^3-bx^2-3이고, y=h(x)\displaystyle y=h(x)의 그래프는 다음과 같다.

극댓값 5와 극솟값 -3을 갖는 h
+3점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 x2\displaystyle x^2의 계수가 −6\displaystyle -6임을 구할 수 있다.

즉, h(−b3)=5\displaystyle h\left(-\frac b3\right)=5이므로h(−b3)=2b327−b39−3=5\displaystyle h\left(-\frac b3\right)=\frac{2b^3}{27}-\frac{b^3}9-3=5−b327=8\displaystyle -\frac{b^3}{27}=8b=−6\displaystyle b=-6이다.

+3점 · 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 x\displaystyle x의 계수가 9\displaystyle 9임을 구할 수 있다.

이때, f′(x)=3x2+2bx+c=3x2−12x+c=3(x−2)2+c−12\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2+2bx+c=3x^2-12x+c=3(x-2)^2+c-12이므로f(x)\displaystyle f(x)의 접선의 기울기의 최솟값은 c−12\displaystyle c-12이다.즉, c−12=−3\displaystyle c-12=-3c=9\displaystyle c=9이다.

+3점 · 함수 f(x)=x3−6x2+9x−3\displaystyle f(x)=x^3-6x^2+9x-3임을 구할 수 있다.

따라서 f(x)=x3−6x2+9x−3\displaystyle f(x)=x^3-6x^2+9x-3이다.

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