[문제 3]
+20점 · a=2(3-1) a=f(0)=2에서 a=2이다.
+40점 · b=5f′(x)=abebx=5f(x)=5aebx에서 b=5이다.
20점 · p(x)q(x)≤2{p(x)}2+{q(x)}2까지(3-2) 산술평균과 기하평균과의 관계를 이용하면p(x)q(x)≤2{p(x)}2+{q(x)}2=24=2
이므로 p(x)q(x)의 값은 2이하이다.
(절대부등식 {p(x)}2−2p(x)q(x)+{q(x)}2=(p(x)−q(x))2≥0을 이용하여 증명해도 된다.)
그러므로 2−p(x)q(x)≥0이고
∫012dx−∫01p(x)q(x)dx=∫01(2−p(x)q(x))dx≥0이다.
40점 · ∫01p(x)q(x)dx≤2까지따라서 ∫01p(x)q(x)dx≤∫012dx=2인데,
60점 · p(x)=q(x)=2를 이용하여 최댓값이 2인 것까지p(x)와 q(x)가 모두 상수함수 2이면, 이 식의 등호가 성립하며, p(x)와 q(x)는 문제의 조건을 모두 만족시킨다. 따라서 ∫01p(x)q(x)dx의 최댓값은 2이다.
20점 · 2g(x)x3+1≤{g(x)}2+x3+1까지(3-3) 0≤x≤2인 임의의 실수 x에 대하여 {g(x)−x3+1}2≥0임을 이용하면2g(x)x3+1≤{g(x)}2+x3+1⋯(1)
이다. (산술평균과 기하평균과의 관계를 이용해도 식 (1)이 보여진다.) 따라서
2∫02g(x)x3+1dx≤∫02({g(x)}2+x3+1)dx⋯(2)=∫02{g(x)}2dx+∫02(x3+1)dx=6+6=12
이므로
40점 · ∫02g(x)x3+1dx≤6까지∫02g(x)x3+1dx≤6⋯(3)
이다. 그런데 (1)의 등호는
g(x)=x3+1
60점 · g(x)=x3+1을 이용하여 최댓값이 6인 것까지일 때 성립하고 이 때 식 (2), (3)의 등호도 모두 성립한다. 또한 함수 g(x)=x3+1는 조건 (가), (나)를 모두 만족시킨다. 따라서 ∫02g(x)x3+1dx의 최댓값은 6이다.
(3-4) (나)의 식에서 k>0임이 분명하다. 또한 임의의 실수 x에 대하여Correction. (3-4) 답안 첫머리의 “(나)의 식”은 “(다)의 식”, 마지막의 “조건 (가)”는 “조건 (나)”의 오기이다. 적분값이 6이라는 조건은 (다), h(0)=2라는 조건은 (나)에 주어져 있다. 원문 표기는 그대로 실었다.
12h(x)h′(x)=2⋅3h(x)⋅2h′(x)≤{3h(x)}2+{2h′(x)}2=9{h(x)}2+4{h′(x)}2
이므로
15점 · ∫0k12h(x)h′(x)dx≤6까지∫0k12h(x)h′(x)dx≤∫0k(9{h(x)}2+4{h′(x)}2)dx=6⋯(4)
이다. (산술-기하 평균을 이용하여 보일 수도 있다.)
이 때, t=h(x)로 두고 치환적분법을 이용하여 계산하면
∫0k12h(x)h′(x)dx=6∫0k2h(x)h′(x)dx=6{h(k)2−h(0)2}=6h(k)2−24
이므로
30점 · {h(k)}2≤5까지{h(k)}2≤630=5⋯(5)
이다. 부등식 (4)의 등호는 3h(x)=2h′(x)일 때, 즉
h′(x)=23h(x)⋯(6)
일 때 성립한다. 조건 (가)에서 h(0)=2를 만족해야하므로
40점 · h(x)=2e23x까지h(x)=2e23x
50점 · e3k=45 또는 k=31ln45까지라 하면 식 (6)이 성립하고, h(x)와 h′(x)를 식 (다)에 대입하여 e3k=45를 얻고, 이를 풀어 k=31ln45를 얻는다.
60점 · h(k)의 최댓값이 5인 것까지이 때, h(k)=5이다. 이 함수 h(x)=2e23x와 실수 k=31ln45는 문제의 조건을 모두 만족시키므로 h(k)의 최댓값은 5이다.