수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 삼차함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 함수g(x)={12x+1(x<0)f(x)(x≥0)\displaystyle g(x)=\begin{cases}\frac12x+1&(x<0)\\f(x)&(x\ge0)\end{cases}이 실수 전체의 집합에서 미분가능할 때, 다음 물음에 각각 답하시오.

(3-1) g(2)−g′(2)\displaystyle g(2)-g^{\prime}(2)의 값을 구하시오. (80점)

(3-2) g(x)\displaystyle g(x)가 실수 전체의 집합에서 증가할 때, g(2)\displaystyle g(2)의 최솟값을 구하시오. (90점)

(3-3) 모든 정수 k\displaystyle k에 대하여 g(k)g(k+1)≥0\displaystyle g(k)g(k+1)\ge0이고, 어떤 정수 j\displaystyle j에 대하여 0≤g(j+1)−g(j)≤14\displaystyle 0\le g(j+1)-g(j)\le\frac14일 때, 21−6g′(1)\displaystyle 21-6g^{\prime}(1)이 취할 수 있는 값의 범위를 구하시오. (100점)

해설강의 준비중
+20점

(3-1) 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 x=0\displaystyle x=0에서 연속이고 미분가능하므로 다음을 알 수 있다.f(0)=1\displaystyle f(0)=1, f′(0)=12\displaystyle f^{\prime}(0)=\frac12

+40점

그러므로 적당한 실수 α\displaystyle \alpha에 대하여f′(x)=3x(x−α)+12\displaystyle f^{\prime}(x)=3x(x-\alpha)+\frac12, f(x)=x3−32αx2+12x+1\displaystyle f(x)=x^3-\frac32\alpha x^2+\frac12x+1이다. 그러므로 다음을 얻는다.

+20점 · g(2)−g′(2)=−52\displaystyle g(2)-g^{\prime}(2)=-\frac52

g(2)−g′(2)=f(2)−f′(2)=10−6α−(12−6α+12)=−52\displaystyle g(2)-g^{\prime}(2)=f(2)-f^{\prime}(2)=10-6\alpha-\left(12-6\alpha+\frac12\right)=-\frac52

(3-2) g(x)\displaystyle g(x)는 구간 (−∞,0)\displaystyle (-\infty,0)에서는 증가하므로, 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 g(x)=f(x)\displaystyle g(x)=f(x)가 증가하기 위한 조건을 찾으면 된다. 방정식f′(x)=3x2−3αx+12=0\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-3\alpha x+\frac12=0 ······ (1)의 판별식 D=9α2−6\displaystyle D=9\alpha^2-6의 값에 따른 실근의 위치를 생각해 보면

+20점 · −63<α<63\displaystyle -\frac{\sqrt6}{3}<\alpha<\frac{\sqrt6}{3}일 때 g(x)\displaystyle g(x)는 증가

① D<0\displaystyle D<0인 경우: −63<α<63\displaystyle -\frac{\sqrt6}{3}<\alpha<\frac{\sqrt6}{3}이고, 방정식 (1)이 실근이 존재하지 않으며 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 실수 전체의 집합에서 증가한다. (아래 그림)

도함수의 판별식이 음수인 경우의 함수 g
+20점 · α=±63\displaystyle \alpha=\pm\frac{\sqrt6}{3}일 때 g(x)\displaystyle g(x) 증가

② D=0\displaystyle D=0인 경우: α=±63\displaystyle \alpha=\pm\frac{\sqrt6}{3}이고, 방정식 (1)은 중근을 갖는다. 이 때f′(x)=3x2∓6x+12=(3x∓22)2\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2\mp\sqrt6x+\frac12=\left(\sqrt3x\mp\frac{\sqrt2}{2}\right)^2이므로 x=−66\displaystyle x=-\frac{\sqrt6}{6} 또는 x=66\displaystyle x=\frac{\sqrt6}{6}인 점을 제외하고는 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이다.그러므로 α=−63\displaystyle \alpha=-\frac{\sqrt6}{3}일 때, 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서는 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 증가한다.또한 α=63\displaystyle \alpha=\frac{\sqrt6}{3}일 때, x=66\displaystyle x=\frac{\sqrt6}{6}에서만 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0이고 이 점을 제외하고는 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 증가한다.따라서 α=±63\displaystyle \alpha=\pm\frac{\sqrt6}{3}일 때 g(x)\displaystyle g(x)는 실수 전체의 집합에서 증가한다. (아래 그림)

도함수의 판별식이 0인 두 경우의 함수 g

③ D>0\displaystyle D>0인 경우: α<−63\displaystyle \alpha<-\frac{\sqrt6}{3} 또는 α>63\displaystyle \alpha>\frac{\sqrt6}{3}이며 방정식 (1)은 서로 다른 두 실근을 갖는다. 이 때, 근과 계수와의 관계를 생각하면 두 근의 곱은 항상 양수이다.

+20점 · α<−63\displaystyle \alpha<-\frac{\sqrt6}{3}일 때 g(x)\displaystyle g(x) 증가

α<−63\displaystyle \alpha<-\frac{\sqrt6}{3}인 경우 두 근의 합이 음수이므로 두 근은 모두 음이다. 따라서 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서는 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 증가한다. (아래 왼쪽 그림)

+20점 · α>63\displaystyle \alpha>\frac{\sqrt6}{3}일 때 증가하지 않는 구간 존재

α>63\displaystyle \alpha>\frac{\sqrt6}{3}인 경우는 두 근의 합이 양수이므로 두 근은 모두 양이다. 따라서 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 삼차함수 f(x)\displaystyle f(x)의 개형을 생각하면 g(x)\displaystyle g(x)는 구간 구간 [0,∞)\displaystyle [0,\infty)에서 증가하지 않는 구간이 존재한다. (아래 오른쪽 그림)

도함수의 판별식이 양수인 두 경우의 함수 g
+10점 · α=63\displaystyle \alpha=\frac{\sqrt6}{3}일 때 g(2)\displaystyle g(2)는 10−26\displaystyle 10-2\sqrt6으로 최소

따라서 주어진 조건을 모두 만족시키는 실수 α\displaystyle \alpha의 범위는 α≤63\displaystyle \alpha\le\frac{\sqrt6}{3}이고, f(x)=x3−32αx2+12x+1\displaystyle f(x)=x^3-\frac32\alpha x^2+\frac12x+1에서 g(2)=f(2)=10−6α\displaystyle g(2)=f(2)=10-6\alpha이므로 α=63\displaystyle \alpha=\frac{\sqrt6}{3}일 때 g(2)\displaystyle g(2)는 10−26\displaystyle 10-2\sqrt6으로 최소가 된다.

(3-3) 다음 조건을 모두 만족시키는 함수 g(x)\displaystyle g(x)를 구해야 한다.(가) 모든 정수 k\displaystyle k에 대하여 g(k)g(k+1)≥0\displaystyle g(k)g(k+1)\ge0(나) 어떤 정수 j\displaystyle j에 대하여 0≤g(j+1)−g(j)≤14\displaystyle 0\le g(j+1)-g(j)\le\frac14

우선 조건 (가)를 만족시키는 경우를 생각해 보자. 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 그래프에 의해 모든 음의 정수 k\displaystyle k에 대하여 g(k)g(k+1)≥0\displaystyle g(k)g(k+1)\ge0이 성립하는 것은 자명하므로 k\displaystyle k가 0\displaystyle 0이상의 정수일 때를 따져보면 된다. 그런데 (3-2)에서의 계산 결과에 의해

+10점 · α≤63\displaystyle \alpha\le\frac{\sqrt6}{3}일 때 조건 (가) 만족

(i) α≤63\displaystyle \alpha\le\frac{\sqrt6}{3}이면 모든 0\displaystyle 0이상의 실수 k\displaystyle k에 대하여 f(k)f(k+1)≥0\displaystyle f(k)f(k+1)\ge0이 성립한다. 따라서 이 경우 g(x)\displaystyle g(x)는 조건 (가)를 만족시킨다.

(ii) α>63\displaystyle \alpha>\frac{\sqrt6}{3}인 경우 f′(x)=3x2−3αx+12=0\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-3\alpha x+\frac12=0으로부터 x1=12α−169α2−6\displaystyle x_1=\frac12\alpha-\frac16\sqrt{9\alpha^2-6}에서 극대, x2=12α+169α2−6\displaystyle x_2=\frac12\alpha+\frac16\sqrt{9\alpha^2-6}에서 극소가 된다. (단, 0<x1<x2\displaystyle 0<x_1<x_2)

+20점 · α=53\displaystyle \alpha=\frac53일 때 조건 (가) 만족

우선 f(1)=52−32α=0\displaystyle f(1)=\frac52-\frac32\alpha=0일 때, 즉 α=53\displaystyle \alpha=\frac53일 때 f(2)=10−6α=0\displaystyle f(2)=10-6\alpha=0이고 1<x2=56+196<2\displaystyle 1<x_2=\frac56+\frac{\sqrt{19}}6<2이므로 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 개형은 다음과 같고 모든 정수 k\displaystyle k에 대하여 g(k)g(k+1)≥0\displaystyle g(k)g(k+1)\ge0이다.

α=5/3일 때 함수 g와 정수 좌표
+10점 · 63<α<53\displaystyle \frac{\sqrt6}{3}<\alpha<\frac53일 때 조건 (가) 만족

또한 63<α<53\displaystyle \frac{\sqrt6}{3}<\alpha<\frac53인 경우에도 0<x2<56+196<2\displaystyle 0<x_2<\frac56+\frac{\sqrt{19}}6<2이고 f(1)=52−32α>0\displaystyle f(1)=\frac52-\frac32\alpha>0, f(2)=10−6α>0\displaystyle f(2)=10-6\alpha>0이 되어 그래프의 개형을 생각하면 조건 (가)를 여전히 만족시킨다. (아래 그림)

√6/3<α<5/3일 때 함수 g와 정수 좌표
+10점 · α>53\displaystyle \alpha>\frac53일 때 조건 (가) 만족 안 함

그렇지만 α>53\displaystyle \alpha>\frac53일 때는 f(1)=52−32α<0\displaystyle f(1)=\frac52-\frac32\alpha<0이므로 k=0\displaystyle k=0일 때g(k)g(k+1)=f(0)f(1)=f(1)=52−32α<0\displaystyle g(k)g(k+1)=f(0)f(1)=f(1)=\frac52-\frac32\alpha<0이 되어 주어진 조건 (가)를 만족시키지 않는다. (아래 그림)

α>5/3일 때 함수 g와 정수 좌표

결국 α≤53\displaystyle \alpha\le\frac53일 때만 g(x)\displaystyle g(x)는 조건 (가)를 만족시킨다.

이제 조건 (나)를 만족시키는 경우를 생각해 보자. 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 개형으로부터 정수 j\displaystyle j에 대하여 0≤g(j+1)−g(j)≤14\displaystyle 0\le g(j+1)-g(j)\le\frac14이 성립하려면 j\displaystyle j는 0\displaystyle 0이상의 정수여야 한다. 따라서 조건 (나)는 “0\displaystyle 0이상의 어떤 정수 j\displaystyle j에 대하여 0≤g(j+1)−g(j)≤14\displaystyle 0\le g(j+1)-g(j)\le\frac14”인 것과 같다.그런데 f(x)=x3−32αx2+32x+1\displaystyle f(x)=x^3-\frac32\alpha x^2+\frac32x+1이므로 f(j+1)−f(j)=3j2+3j−3αj−32α+32\displaystyle f(j+1)-f(j)=3j^2+3j-3\alpha j-\frac32\alpha+\frac32이고, 0\displaystyle 0이상의 어떤 정수 j\displaystyle j에 대하여0≤3j2+3j−3αj−32α+32≤14\displaystyle 0\le3j^2+3j-3\alpha j-\frac32\alpha+\frac32\le\frac14즉,2j2+2j+562j+1≤α≤2j2+2j+12j+1\displaystyle \frac{2j^2+2j+\frac56}{2j+1}\le\alpha\le\frac{2j^2+2j+1}{2j+1}이 성립해야 한다. 따라서 다음을 얻는다.

+10점 · j=0\displaystyle j=0일 때 56≤α≤1\displaystyle \frac56\le\alpha\le1

j=0\displaystyle j=0일 때: 56≤α≤1\displaystyle \frac56\le\alpha\le1

+10점 · j=1\displaystyle j=1일 때 2918≤α≤53\displaystyle \frac{29}{18}\le\alpha\le\frac53

j=1\displaystyle j=1일 때: 2918≤α≤53\displaystyle \frac{29}{18}\le\alpha\le\frac53

+10점 · j≥2\displaystyle j\ge2일 때 조건 (가) 만족 안 됨

j≥2\displaystyle j\ge2일 때: α≥2j2+2j+562j+1=j+12+132j+1>2>53\displaystyle \alpha\ge\frac{2j^2+2j+\frac56}{2j+1}=j+\frac12+\frac{\frac13}{2j+1}>2>\frac53이므로 조건 (가)를 만족시키지 않는다.

+10점

결국 조건 (가), (나)를 모두 만족시키는 실수 α\displaystyle \alpha의 범위는 다음과 같다.56≤α≤1\displaystyle \frac56\le\alpha\le1 또는 2918≤α≤53\displaystyle \frac{29}{18}\le\alpha\le\frac53

+10점

그런데 f′(1)=72−3α\displaystyle f^{\prime}(1)=\frac72-3\alpha이므로 21−6g′(1)=21−6f′(1)=18α\displaystyle 21-6g^{\prime}(1)=21-6f^{\prime}(1)=18\alpha가 취할 수 있는 값의 범위는 다음과 같다.15≤21−6g′(1)≤18\displaystyle 15\le21-6g^{\prime}(1)\le18 또는 29≤21−6g′(1)≤30\displaystyle 29\le21-6g^{\prime}(1)\le30

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