수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

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

[Ⅰ] 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)=f′(a)(x−a)\displaystyle y-f(a)=f^{\prime}(a)(x-a)

[Ⅱ] 집합 A\displaystyle A의 원소가 유한개일 때, 집합 A\displaystyle A의 원소의 개수를 기호로 n(A)\displaystyle n(A)와 같이 나타낸다.

[Ⅲ] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 미분가능하고 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0일 때, x=a\displaystyle x=a의 좌우에서 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가(ⅰ) 양(+)\displaystyle (+)에서 음(−)\displaystyle (-)으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극대이고 극댓값 f(a)\displaystyle f(a)를 갖는다.(ⅱ) 음(−)\displaystyle (-)에서 양(+)\displaystyle (+)으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극소이고 극솟값 f(a)\displaystyle f(a)를 갖는다.

이차함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 P(t,f(t))\displaystyle \mathrm{P}(t,f(t))에서의 접선과 수직이고, 점 P\displaystyle \mathrm{P}를 지나는 직선의 x\displaystyle x절편을 g(t)\displaystyle g(t)라 하자. 실수 k\displaystyle k에 대하여 집합 Ak\displaystyle A_{k}를 Ak={t∣g(t)=g(k)}\displaystyle A_{k}=\{t\mid g(t)=g(k)\}라 할 때, 다음 물음에 답하시오.

[2-1] f(x)=x2+px+12p−12\displaystyle f(x)=x^{2}+px+\frac{1}{2}p-\frac{1}{2}에 대하여 n(Ak)=2\displaystyle n(A_{k})=2를 만족시키는 k\displaystyle k가 존재하도록 하는 자연수 p\displaystyle p의 최솟값을 p1\displaystyle p_{1}이라 하자. 이때 p1\displaystyle p_{1}을 구하고, f(x)=x2+p1x+12p1−12\displaystyle f(x)=x^{2}+p_{1}x+\frac{1}{2}p_{1}-\frac{1}{2}에 대하여 n(Ak)=2\displaystyle n(A_{k})=2를 만족시키는 모든 k\displaystyle k의 값의 합을 구하시오. (15점)

[2-2] f(x)=x2+x−7\displaystyle f(x)=x^{2}+x-7에 대하여 집합 Ak\displaystyle A_{k}의 원소 중 최댓값을 Mk\displaystyle M_{k}, 최솟값을 mk\displaystyle m_{k}라 하자. mk<k<Mk\displaystyle m_{k}<k<M_{k}를 만족시키는 k\displaystyle k에 대하여 Mk2+mk2\displaystyle M_{k}^{2}+m_{k}^{2}의 최댓값을 구하시오. (20점)

+4점 · 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 식을 구할 수 있다.

[2-1]곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 P(t,f(t))\displaystyle \mathrm{P}(t,f(t))를 지나고 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서의 접선과 수직인 직선의 방정식은t=−p2\displaystyle t=-\frac{p}{2}일 때, x=−p2\displaystyle x=-\frac{p}{2}이고 이때, g(t)\displaystyle g(t)는 g(t)=−p2\displaystyle g(t)=-\frac{p}{2}이다.t≠−p2\displaystyle t\ne-\frac{p}{2}일 때, y=−12t+p(x−t)+t2+pt+12p−12\displaystyle y=-\frac{1}{2t+p}(x-t)+t^{2}+pt+\frac{1}{2}p-\frac{1}{2}이고 이때 g(t)\displaystyle g(t)는g(t)=t+(2t+p)(t2+pt+12p−12)=2t3+3pt2+(p2+p)t+12p2−12p\displaystyle g(t)=t+(2t+p)\left(t^{2}+pt+\frac{1}{2}p-\frac{1}{2}\right)=2t^{3}+3pt^{2}+(p^{2}+p)t+\frac{1}{2}p^{2}-\frac{1}{2}p이다.그러므로 모든 실수 t\displaystyle t에 대하여 g(t)=2t3+3pt2+(p2+p)t+12p2−12p\displaystyle g(t)=2t^{3}+3pt^{2}+(p^{2}+p)t+\frac{1}{2}p^{2}-\frac{1}{2}p이다.

+6점 · p1\displaystyle p_{1}의 값을 구할 수 있다.

n(Ak)=2\displaystyle n(A_{k})=2를 만족시키는 k\displaystyle k가 존재하기 위해서는 g(t)\displaystyle g(t)가 극값을 가져야 하고, g(k)\displaystyle g(k)가 극값이 될 때 n(Ak)=2\displaystyle n(A_{k})=2가 된다.g′(t)=6t2+6pt+p2+p\displaystyle g^{\prime}(t)=6t^{2}+6pt+p^{2}+p이고, g(t)\displaystyle g(t)가 극값을 갖기 위해서는 g′(t)=0\displaystyle g^{\prime}(t)=0가 서로 다른 두 실근을 가져야 한다.D4=9p2−6(p2+p)>0\displaystyle \frac{D}{4}=9p^{2}-6(p^{2}+p)>03p(p−2)>0\displaystyle 3p(p-2)>0p<0\displaystyle p<0 또는 p>2\displaystyle p>2p\displaystyle p는 자연수이므로 p>2\displaystyle p>2이고, 최소의 자연수 p1\displaystyle p_{1}은 3이다.

+5점 · k\displaystyle k의 값의 합을 구할 수 있다.

p=3\displaystyle p=3일 때 g(t)\displaystyle g(t)는 g(t)=2t3+9t2+12t+3\displaystyle g(t)=2t^{3}+9t^{2}+12t+3이고, g′(t)=6t2+18t+12=6(t+1)(t+2)\displaystyle g^{\prime}(t)=6t^{2}+18t+12=6(t+1)(t+2)이므로극값은 t=−1\displaystyle t=-1일 때 g(−1)=−2\displaystyle g(-1)=-2, t=−2\displaystyle t=-2일 때, g(−2)=−1\displaystyle g(-2)=-1이다.

삼차곡선 y=g(t)와 두 극값 -1, -2를 지나는 수평선, 그리고 교점의 t좌표 -5/2, -2, -1, -1/2를 표시한 그래프

g(t)=−2\displaystyle g(t)=-2에서 2t3+9t2+12t+3=−2\displaystyle 2t^{3}+9t^{2}+12t+3=-22t3+9t2+12t+5=0\displaystyle 2t^{3}+9t^{2}+12t+5=0(t+1)2(2t+5)=0\displaystyle (t+1)^{2}(2t+5)=0그러므로 g(t)=−2\displaystyle g(t)=-2를 만족시키는 t\displaystyle t의 값은 t=−1\displaystyle t=-1 또는 t=−52\displaystyle t=-\frac{5}{2}이다.g(t)=−1\displaystyle g(t)=-1에서 2t3+9t2+12t+3=−1\displaystyle 2t^{3}+9t^{2}+12t+3=-12t3+9t2+12t+4=0\displaystyle 2t^{3}+9t^{2}+12t+4=0(t+2)2(2t+1)=0\displaystyle (t+2)^{2}(2t+1)=0그러므로 g(t)=−1\displaystyle g(t)=-1을 만족시키는 t\displaystyle t의 값은 t=−2\displaystyle t=-2 또는 t=−12\displaystyle t=-\frac{1}{2}이다.따라서 구하는 모든 k\displaystyle k의 값은 −52, −2, −1, −12\displaystyle -\frac{5}{2},\ -2,\ -1,\ -\frac{1}{2}이고, 모든 k\displaystyle k의 값의 합은 −6\displaystyle -6이다.

+8점 · mk<k<Mk\displaystyle m_{k}<k<M_{k}를 만족시키는 k\displaystyle k의 값의 범위를 구할 수 있다.

[2-2]함수 f(x)=x2+x−7\displaystyle f(x)=x^{2}+x-7에 대하여 g(t)\displaystyle g(t)는g(t)=2t3+3t2−12t−7\displaystyle g(t)=2t^{3}+3t^{2}-12t-7이다.g(t)=g(k)\displaystyle g(t)=g(k)에서 2t3+3t2−12t−7=2k3+3k2−12k−7\displaystyle 2t^{3}+3t^{2}-12t-7=2k^{3}+3k^{2}-12k-72(t3−k3)+3(t2−k2)−12(t−k)=0\displaystyle 2(t^{3}-k^{3})+3(t^{2}-k^{2})-12(t-k)=0(t−k)(2t2+2kt+2k2+3t+3k−12)=0\displaystyle (t-k)(2t^{2}+2kt+2k^{2}+3t+3k-12)=0(t−k){2t2+(2k+3)t+2k2+3k−12}=0\displaystyle (t-k)\{2t^{2}+(2k+3)t+2k^{2}+3k-12\}=0h(t)=2t2+(2k+3)t+2k2+3k−12\displaystyle h(t)=2t^{2}+(2k+3)t+2k^{2}+3k-12 라 두면그림과 같이, h(k)<0\displaystyle h(k)<0가 되어야 한다.

아래로 볼록한 포물선 y=h(t)와 t축의 두 교점 m_k, M_k 사이에 k가 놓인 그래프

h(k)=2k2+2k2+3k+2k2+3k−12=6k2+6k−12=6(k+2)(k−1)<0\displaystyle h(k)=2k^{2}+2k^{2}+3k+2k^{2}+3k-12=6k^{2}+6k-12=6(k+2)(k-1)<0그러므로 mk<k<Mk\displaystyle m_{k}<k<M_{k}를 만족시키는 k\displaystyle k의 값의 범위는 −2<k<1\displaystyle -2<k<1이다.

+9점 · mk2+Mk2\displaystyle m_{k}^{2}+M_{k}^{2}을 k\displaystyle k에 대한 식으로 표현할 수 있다.

또한 Mk\displaystyle M_{k}과 mk\displaystyle m_{k}는 h(t)=2t2+(2k+3)t+2k2+3k−12=0\displaystyle h(t)=2t^{2}+(2k+3)t+2k^{2}+3k-12=0의 서로 다른 두 근이 된다.그러므로 이차방정식의 근과 계수의 관계에 의하여Mk+mk=−2k+32,Mkmk=2k2+3k−122\displaystyle M_{k}+m_{k}=-\frac{2k+3}{2},\quad M_{k}m_{k}=\frac{2k^{2}+3k-12}{2}이므로,Mk2+mk2=(2k+3)24−2×2k2+3k−122=14(−4k2+57)\displaystyle M_{k}^{2}+m_{k}^{2}=\frac{(2k+3)^{2}}{4}-2\times\frac{2k^{2}+3k-12}{2}=\frac{1}{4}(-4k^{2}+57)이다.

+3점 · mk2+Mk2\displaystyle m_{k}^{2}+M_{k}^{2}의 최댓값을 구할 수 있다.

따라서 −2<k<1\displaystyle -2<k<1에서 Mk2+mk2\displaystyle M_{k}^{2}+m_{k}^{2}의 최댓값은 k=0\displaystyle k=0일 때 574\displaystyle \frac{57}{4}이다.

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