수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 B 3번

문제

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[문제 3]

+20점 · x0\displaystyle x\le0 또는 x1\displaystyle x\ge1일 때, f(x)0\displaystyle f(x)\ge0을 기술하면

(3-1) f(x)\displaystyle f(x)는 연속함수이다. x(x1)f(x)0\displaystyle x(x-1)f(x)\ge0이므로 x0\displaystyle x\le0 또는 x1\displaystyle x\ge1일 때 f(x)0\displaystyle f(x)\ge0이고,

+20점 · 0x1\displaystyle 0\le x\le1에서 f(x)0\displaystyle f(x)\le0을 기술하면

0x1\displaystyle 0\le x\le1일 때 f(x)0\displaystyle f(x)\le0이다.

+20점 · f(0)=0\displaystyle f(0)=0f(1)=0\displaystyle f(1)=0을 보이면

따라서 f(0)=0\displaystyle f(0)=0이고 f(1)=0\displaystyle f(1)=0이다.

+30점 · f(0)=0\displaystyle f(0)=0을 이용하여 c=a\displaystyle c=-a임을 보이면

(3-2) f(0)=a+c=0\displaystyle f(0)=a+c=0에서 c=a\displaystyle c=-a이고,

+30점 · f(1)=0\displaystyle f(1)=0임을 이용하여 b=aae1\displaystyle b=a-ae-1임을 보이면

마찬가지로 f(1)=ae+1+b+c=0\displaystyle f(1)=ae+1+b+c=0에서 b=aae1\displaystyle b=a-ae-1이다.

(3-3) f(x)=aex+2x+aae1\displaystyle f\prime(x)=ae^x+2x+a-ae-1이고 a>0\displaystyle a>0이므로 f(x)=aex+2>0\displaystyle f\prime\prime(x)=ae^x+2>0이다. 따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 아래로 볼록하고 f(0)=f(1)=0\displaystyle f(0)=f(1)=0이다. 결국 다음 함수는 조건 (가)를 만족시킨다.

f(x)=aex+x2+(aae1)xa(a>0)\displaystyle f(x)=ae^x+x^2+(a-ae-1)x-a\quad(a>0)

그런데 g(x)=f(x)=aex+2x+aae1\displaystyle g(x)=f\prime(x)=ae^x+2x+a-ae-1이고 g(x)=aex+2>0\displaystyle g\prime(x)=ae^x+2>0이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 증가함수이고 g(x)=aex>0\displaystyle g\prime\prime(x)=ae^x>0이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 아래로 볼록하다.

+15점 · “곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 직선 y=(a+4)x3\displaystyle y=(a+4)x-3x=1\displaystyle x=1일 때 만난다.”를 언급하면

또한 직선 y=(a+4)x3\displaystyle y=(a+4)x-3은 기울기가 a+4\displaystyle a+4이고 점 (1,a+1)\displaystyle (1,a+1)을 지나는데 g(1)=a+1\displaystyle g(1)=a+1이므로 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)x=1\displaystyle x=1일 때 직선 y=(a+4)x3\displaystyle y=(a+4)x-3과 만난다.

그러므로 조건 (나)를 만족시키도록 직선과 곡선의 위치 관계를 생각하면

g(1)>a+4\displaystyle g\prime(1)>a+4이고 g(0)>3\displaystyle g(0)>-3

이어야 한다. (아래 그림참조)

볼록한 함수 g와 직선의 두 교점
+15점 · 풀이과정이 있고 a>2e1\displaystyle a>\frac2{e-1}를 구하면

우선 g(1)>a+4\displaystyle g\prime(1)>a+4를 계산하면 다음을 얻는다.a>2e1\displaystyle a>\frac2{e-1}

+15점 · 풀이과정이 있고 a<2e2\displaystyle a<\frac2{e-2}를 구하면

또한 g(0)>3\displaystyle g(0)>-3을 계산하면 다음을 얻는다.a<2e2\displaystyle a<\frac2{e-2}

+15점 · 최종적으로 답 2e1<a<2e2\displaystyle \frac2{e-1}<a<\frac2{e-2}를 구하면

결국 문제의 모든 조건을 만족시키는 실수 a\displaystyle a 값의 범위는 다음과 같다.2e1<a<2e2\displaystyle \frac2{e-1}<a<\frac2{e-2}

(3-4) g(x)=f(x)=aex+2x+aae1\displaystyle g(x)=f\prime(x)=ae^x+2x+a-ae-1, g(x)=aex+2\displaystyle g\prime(x)=ae^x+2, g(1)=a+1\displaystyle g(1)=a+1, g(1)=ae+2\displaystyle g\prime(1)=ae+2

이므로 x=1\displaystyle x=1에서 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)에 대한 접선의 방정식은 y=(ae+2)(x1)+a+1\displaystyle y=(ae+2)(x-1)+a+1, 즉

y=(ae+2)x+aae1\displaystyle y=(ae+2)x+a-ae-1

이다. 따라서

k=aae1\displaystyle k=a-ae-1이고 44ek+1=4(1e)a(1e)=4a\displaystyle \frac{4-4e}{k+1}=\frac{4(1-e)}{a(1-e)}=\frac4a

이다. 문제 (3-3)의 결과로부터

1.4<2(e2)<4a<2(e1)<3.6\displaystyle 1.4<2(e-2)<\frac4a<2(e-1)<3.6

60점 · 풀이과정이 있고 답 a=2\displaystyle a=2 또는 a=43\displaystyle a=\frac43를 모두 구하면

이므로 4a\displaystyle \frac4a의 값으로 가능한 자연수는 2 또는 3이고, 이 때 a=2\displaystyle a=2 또는 a=43\displaystyle a=\frac43이다.

(3-4) 풀이과정이 있고 답 중 하나인 a=2\displaystyle a=2를 구하면 (30점)

(3-4) 풀이과정이 있고 답 중 하나인 a=43\displaystyle a=\frac43를 구하면 (30점)

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