수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+4점 · f(x)=a(x1)3\displaystyle f(x)=a(x-1)^3으로 나타낼 수 있다.

[1-1]삼차함수 f(x)\displaystyle f(x)f(1)=f(1)=0\displaystyle f(1)=f^{\prime}(1)=0이므로 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프가 x=1\displaystyle x=1에서 x\displaystyle x축에 접하므로f(x)=(x1)2(ax+b)\displaystyle f(x)=(x-1)^2(ax+b)의 형태가 된다. 또한 f(x)\displaystyle f(x)가 일대일대응이므로 f(x)=a(x1)3\displaystyle f(x)=a(x-1)^3이다.

+4점 · y=f(x)\displaystyle y=f(x) 그래프와 직선 y=x\displaystyle y=x가 접한다는 사실을 확인할 수 있다.

방정식 f(x)=f1(x)\displaystyle f(x)=f^{-1}(x)의 서로 다른 실근은 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)y=f1(x)\displaystyle y=f^{-1}(x)의 그래프의 교점의 x\displaystyle x좌표와 같다.y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 증가함수이므로 두 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)y=f1(x)\displaystyle y=f^{-1}(x)의 그래프의 교점은 모두 직선 y=x\displaystyle y=x 위에 있다.조건 (ii)에 의해 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 직선 y=x\displaystyle y=x가 서로 다른 두 점에서 만나므로 두 점 중 한 점은 접점이다.

+7점 · f(x)=427(x1)3\displaystyle f(x)=\frac4{27}(x-1)^3을 구할 수 있다.

접점의 좌표를 (t,t)\displaystyle (t,t)라 하면 f(t)=t\displaystyle f(t)=t이고 f(t)=1\displaystyle f^{\prime}(t)=1이다.f(t)=t\displaystyle f(t)=t에서 a(t1)3=t\displaystyle a(t-1)^3=t ⋯ ①f(t)=1\displaystyle f^{\prime}(t)=1에서 3a(t1)2=1\displaystyle 3a(t-1)^2=1 ⋯ ②①, ②에서 13(t1)=t\displaystyle \frac13(t-1)=t이고 t=12\displaystyle t=-\frac12이다. 그러므로 a=427\displaystyle a=\frac4{27}이다.따라서 f(x)=427(x1)3\displaystyle f(x)=\frac4{27}(x-1)^3이다.

[1-1] 해당함수 f(x)=427(x1)3\displaystyle f(x)=\frac4{27}(x-1)^3의 그래프와 역함수 f1(x)=(27x4)13+1\displaystyle f^{-1}(x)=\left(\frac{27x}4\right)^{\frac13}+1의 그래프

증가함수 f와 역함수의 그래프
+3점 · y=f(x)\displaystyle y=f(x)y=f1(x)\displaystyle y=f^{-1}(x)의 그래프의 교점에서 접선의 기울기가 1\displaystyle -1임을 구할 수 있다.

Comment. 여기서 말하는 교점은 직선 y=x\displaystyle y=x 위의 교점이다. 다른 교점에서의 접선의 기울기가 모두 1\displaystyle -1인 것은 아니다.

[1-2]함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 직선 y=x\displaystyle y=x의 교점의 좌표를 (t,t)\displaystyle (t,t)라 하자.x=t\displaystyle x=t에서 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 접선의 기울기를 m1\displaystyle m_1이라 하면 접선의 방정식은 y=m1(xt)+t\displaystyle y=m_1(x-t)+t이다.x=t\displaystyle x=t에서 y=f1(x)\displaystyle y=f^{-1}(x)의 접선의 기울기를 m2\displaystyle m_2라 하면 접선의 방정식은 y=m2(xt)+t\displaystyle y=m_2(x-t)+t이다.조건 (ii)에 의해m1=m2\displaystyle m_1=m_2\quad\cdots\text{①}f\displaystyle ff1\displaystyle f^{-1}y=x\displaystyle y=x에 대해 대칭이므로 y=m1(xt)+t\displaystyle y=m_1(x-t)+ty=x\displaystyle y=x에 대해 대칭하면 x=m1(yt)+t\displaystyle x=m_1(y-t)+t에서y=1m1(xt)+t\displaystyle y=\frac1{m_1}(x-t)+t이다. 이 직선의 방정식이 y=m2(xt)+t\displaystyle y=m_2(x-t)+t와 일치하므로 1m1=m2\displaystyle \frac1{m_1}=m_2이고m1×m2=1\displaystyle m_1\times m_2=1\quad\cdots\text{②}이다.①, ②에 의해 m12=1\displaystyle m_1^2=1이고 m1=±1\displaystyle m_1=\pm1이다. 함수 f\displaystyle f가 감소함수이므로 m1=m2=1\displaystyle m_1=m_2=-1이다.

+3점 · f(x)=1627(x1)3\displaystyle f(x)=-\frac{16}{27}(x-1)^3을 구할 수 있다.

[1-1]에서 f(x)=a(x1)3\displaystyle f(x)=a(x-1)^3이고, (t,t)\displaystyle (t,t)를 지나므로 f(t)=t\displaystyle f(t)=t에서a(t1)3=t\displaystyle a(t-1)^3=t\quad\cdots\text{③}x=t\displaystyle x=t에서 접선의 기울기가 1\displaystyle -1이므로 f(t)=1\displaystyle f^{\prime}(t)=-1에서3a(t1)2=1\displaystyle 3a(t-1)^2=-1\quad\cdots\text{④}③, ④에 의해서 13(t1)=t\displaystyle -\frac13(t-1)=t이고 t=14\displaystyle t=\frac14이다. 그러므로 a=1627\displaystyle a=-\frac{16}{27}이다.따라서 f(x)=1627(x1)3\displaystyle f(x)=-\frac{16}{27}(x-1)^3이다.

+5점 · 사잇값의 정리를 사용하여 x14\displaystyle x\ne\frac14인 실근이 있음을 확인할 수 있다.

방정식 f(x)=f1(x)\displaystyle f(x)=f^{-1}(x)가 적어도 3개의 서로 다른 실근을 가짐을 보이자.조건 (i)에 의해 y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 감소함수이므로 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 직선 y=x\displaystyle y=x의 교점의 개수는 1이고이 점의 x\displaystyle x좌표가 f(x)=f1(x)\displaystyle f(x)=f^{-1}(x)의 실근과 일치하므로 x=14\displaystyle x=\frac14f(x)=f1(x)\displaystyle f(x)=f^{-1}(x)의 하나의 실근이 된다.g(x)=f(x)f1(x)\displaystyle g(x)=f(x)-f^{-1}(x)라 하면, g(x)\displaystyle g(x)는 실수 전체에서 연속이다.g(1)=f(1)f1(1)=12827(1+3223)>0\displaystyle g(-1)=f(-1)-f^{-1}(-1)=\frac{128}{27}-\left(1+\frac3{2\sqrt[3]2}\right)>0이고, g(0)=f(0)f1(0)=16271<0\displaystyle g(0)=f(0)-f^{-1}(0)=\frac{16}{27}-1<0이다.따라서 제시문 (다)에 의해서 (1,0)\displaystyle (-1,0)에서 g(c)=0\displaystyle g(c)=0c\displaystyle c가 적어도 하나 존재한다.f(c)=f1(c)\displaystyle f(c)=f^{-1}(c)이므로 c\displaystyle cf(x)=f1(x)\displaystyle f(x)=f^{-1}(x)의 하나의 실근이 된다.

+4점 · 직선 y=x\displaystyle y=x에 대한 대칭을 이용하여 다른 하나의 실근이 있음을 확인하여 적어도 3개의 서로 다른 실근을 가짐을 보일 수 있다.

f(c)=q\displaystyle f(c)=q라 하면 f1(c)=q\displaystyle f^{-1}(c)=q이고, f\displaystyle ff1\displaystyle f^{-1}y=x\displaystyle y=x에 대해 대칭이므로 f1(q)=c,  f(q)=c\displaystyle f^{-1}(q)=c,\;f(q)=c이다.f(q)=c=f1(q)\displaystyle f(q)=c=f^{-1}(q)가 되어 q\displaystyle qf(x)=f1(x)\displaystyle f(x)=f^{-1}(x)의 하나의 실근이 된다.y=f(x)\displaystyle y=f(x)y=x\displaystyle y=x의 교점의 개수는 1이라는 사실에 의해 cq\displaystyle c\ne q이다.따라서 14,  c,  q\displaystyle \frac14,\;c,\;qf(x)=f1(x)\displaystyle f(x)=f^{-1}(x)의 서로 다른 세 실근이다.

[1-2] 해당함수 f(x)=1627(x1)3\displaystyle f(x)=-\frac{16}{27}(x-1)^3의 그래프와 역함수 f1(x)=(2716x)13+1\displaystyle f^{-1}(x)=\left(-\frac{27}{16}x\right)^{\frac13}+1의 그래프

감소함수 f와 역함수의 그래프

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