따라서 f(s)는 다음과 같이 구하여진다.f(s)=⎩⎨⎧s(s−1)2+1(s−a−2)2+a22a+2−s0≤s≤11≤s≤a+1a+1≤s≤a+2a+2≤s≤2a+2
+40점 · ℓ2의 방정식 y=22(s−2)+2 또는 y=22s를 구하면
1<s<a+1에서 f(s)=s2−2s+2로부터 f′(s)=s2−2s+2s−1을 얻어, f(2)=2이고, f′(2)=22이므로, 구하는 접선의 방정식은 y=22(s−2)+2, 즉 y=22s이다.
+20점 · f의 볼록성을 보이면
(3-2) 1<s<a+1에서 f′(s)=s2−2s+2s−1>0, f′′(s)=(s2−2s+2)3/21>0이므로 y=f(x)는 아래로 볼록인 함수이며 증가한다. 또한 a+1<s<a+2에서f′(s)=s2−2(a+2)s+2a2+4a+4s−a−2<0,f′′(s)=(s2−2(a+2)s+2a2+4a+4)3/2a2>0이므로 y=f(x)는 아래로 볼록인 함수이며 감소한다.
+20점 · 볼록성이 보이는 y=f(s)의 그래프가 있으면
따라서 0≤s≤2a+2에서 y=f(s)의 그래프의 개형은 다음과 같다.
+20점 · (f의 볼록성을 보이고) 1<α≤2일 때 ℓα와 y=f(s)의 교점의 개수가 3이고, 2<α<a+1일 때 ℓα와 y=f(s)의 교점의 개수가 2임을 보이면
1<α<a+1일 때, αα2−2α+2=α−0f(α)−0=f′(α)=α2−2α+2α−1을 이용하여 ℓα가 (0,0)을 지나는 α를 구하면 α=2이다. 그런데 1<s<a+1에서 y=f(s)는 아래로 볼록한 증가함수이므로 1<α≤2일 때 ℓα의 s절편은 0보다 작거나 같고 ℓα와 y=f(s)의 접점을 포함한 교점의 개수는 3이다. 2<α<a+1일 때는 ℓα의 s절편이 0보다 크고 a+1보다 작으므로 ℓα와 y=f(s)의 접점을 포함한 교점의 개수는 2이다.
2<a+1<β<a+2일 때,−(2a+2)−ββ2−2(a+2)β+2a2+4a+4=(2a+2)−β0−f(β)=f′(β)=β2−2(a+2)β+2a2+4a+4β−a−2를 이용하여 ℓβ가 (2a+2,0)을 지나는 β를 구하면 β=2이고 β>2인 것에 모순이다.
a+1<s<a+2에서 y=f(s)가 아래로 볼록한 감소함수이므로, 위 모순은 ℓβ의 s절편이 2a+2보다 작거나 같을 수 없음을 의미한다. 그러므로 a+1<β<a+2에서 ℓβ의 s절편은 2a+2보다 크고, ℓβ와 y=f(s)의 접점을 포함한 교점의 개수는 3이다.
(3-3) 1<α<a+1에서의 접선 ℓα가 s축의 양의 방향과 이루는 각을 θα라 하면 tanθα=f′(α)=α2−2α+2α−1이다. 또 a+1<β<a+2에서의 접선 ℓβ가 s축의 양의 방향과 이루는 각을 θβ라 하면 tanθβ=f′(β)=β2−2(a+2)β+2a2+4a+4β−a−2이다.
+10점 · θ(α,β)=π−θβ+θα
1<α<a+1에서 0<α2−2α+2α−1<1이고, a+1<β<a+2에서 −1<β2−2(a+2)β+2a2+4a+4β−a−2<0이므로 0<θα<4π이고, 43π<θβ<π이다. 따라서 ℓα와 ℓβ가 이루는 예각 θ(α,β)는 θ(α,β)=π−θβ+θα이다.
+30점 · a→0+limL(a)=0을 구하면
Correction. (3-3) 채점기준의 a→0+는 a→∞의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
이제, α→1+limα2−2α+2α−1=0이고, β→(a+2)−limβ2−2(a+2)β+2a2+4a+4β−a−2=0이므로 a값에 상관없이 L(a)=π−π+0=0이다.
+40점 · a→∞limR(a)=4π를 구하면
또한 α→(a+1)−limα2−2α+2α−1=a2+1a,β→(a+1)+limβ2−2(a+2)β+2a2+4a+4β−a−2=a2+1−1이고, a→∞lima2+1a=1, a→∞lima2+1−1=0이므로 a→∞limR(a)=π−π+4π=4π이다.