수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 두 함수 f(x)={aln⁡x+6(0<x≤1)bx+12(x>1)\displaystyle f(x)=\begin{cases}a\ln x+6&(0<x\leq1)\\bx+12&(x>1)\end{cases}, g(x)=−3x2+6x+c\displaystyle g(x)=-3x^2+6x+c에 대하여 다음 물음에 답하시오.

[3.1] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=1\displaystyle x=1에서 미분가능할 때, 상수 a,b\displaystyle a,b의 값을 구하시오.

[3.2] 문항 [3.1]을 만족시키는 상수 a,b\displaystyle a,b에 대하여, 방정식 f(x)=g(x)\displaystyle f(x)=g(x)의 서로 다른 실근의 개수를 실수 c\displaystyle c의 값의 범위에 따라 구하시오.

[3.3] 문항 [3.1]을 만족시키는 상수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 방정식 f(x)=g(x)\displaystyle f(x)=g(x)가 1개의 실근을 가질 때, 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 직선 x=12\displaystyle x=\frac12로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오.

해설강의 준비중
+4점

[3.1] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=1\displaystyle x=1에서 미분가능하면 x=1\displaystyle x=1에서 연속이므로,lim⁡x→1−{aln⁡x+6}=lim⁡x→1+{bx+12}\displaystyle \lim_{x\to1-}\{a\ln x+6\}=\lim_{x\to1+}\{bx+12\}로부터 b=−6\displaystyle b=-6이다.

+4점 · 또, f(x)\displaystyle f(x)의 x=1\displaystyle x=1에서의 미분계수 f′(1)\displaystyle f^{\prime}(1)이 존재하므로, lim⁡x→1−f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1−(aln⁡x+6)−6x−1=aln⁡{lim⁡t→0−(1+t)1t}=a\displaystyle \lim_{x\to1-}\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=\lim_{x\to1-}\frac{(a\ln x+6)-6}{x-1}=a\ln\{\lim_{t\to0-}(1+t)^{\frac1t}\}=a, lim⁡x→1+f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1+(−6x+12)−6x−1=−6\displaystyle \lim_{x\to1+}\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=\lim_{x\to1+}\frac{(-6x+12)-6}{x-1}=-6로부터 a=−6\displaystyle a=-6이다.

또, f(x)\displaystyle f(x)의 x=1\displaystyle x=1에서의 미분계수 f′(1)\displaystyle f^{\prime}(1)이 존재하므로,lim⁡x→1−f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1−(aln⁡x+6)−6x−1=lim⁡t→0−aln⁡(1+t)t=aln⁡{lim⁡t→0−(1+t)1t}=a\displaystyle \lim_{x\to1-}\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=\lim_{x\to1-}\frac{(a\ln x+6)-6}{x-1}=\lim_{t\to0-}\frac{a\ln(1+t)}t=a\ln\left\{\lim_{t\to0-}(1+t)^{\frac1t}\right\}=alim⁡x→1+f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1+(−6x+12)−6x−1=−6\displaystyle \lim_{x\to1+}\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=\lim_{x\to1+}\frac{(-6x+12)-6}{x-1}=-6로부터 a=−6\displaystyle a=-6이다.

+15점 · h(x)=f(x)−g(x)+c={−6ln⁡x+3x2−6x+6(0<x≤1)3x2−12x+12(x>1)\displaystyle h(x)=f(x)-g(x)+c=\begin{cases}-6\ln x+3x^2-6x+6&(0<x\leq1)\\3x^2-12x+12&(x>1)\end{cases}라 두면, 방정식 f(x)=g(x)\displaystyle f(x)=g(x)의 해는 방정식 h(x)=c\displaystyle h(x)=c의 해와 같다. h′(x)={−6x+6x−6(0<x≤1)6x−12(x>1)\displaystyle h^{\prime}(x)=\begin{cases}-\frac6x+6x-6&(0<x\leq1)\\6x-12&(x>1)\end{cases}이므로 h′(x)=0\displaystyle h^{\prime}(x)=0인 x\displaystyle x의 값은 2\displaystyle 2, lim⁡x→0+h(x)=lim⁡x→∞h(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to0+}h(x)=\lim_{x\to\infty}h(x)=\infty이므로 함수 h(x)\displaystyle h(x)의 증감표와 그래프는 다음과 같다.

[3.2] 함수 h(x)\displaystyle h(x)를 다음과 같이 정의하자.h(x)=f(x)−g(x)+c={−6ln⁡x+3x2−6x+6(0<x≤1)3x2−12x+12(x>1)\displaystyle h(x)=f(x)-g(x)+c=\begin{cases}-6\ln x+3x^2-6x+6&(0<x\leq1)\\3x^2-12x+12&(x>1)\end{cases}방정식 f(x)=g(x)\displaystyle f(x)=g(x)의 해는 방정식 h(x)=c\displaystyle h(x)=c의 해와 같다.한편 h(x)\displaystyle h(x)도 x=1\displaystyle x=1에서 미분가능하고, f′(1)=−6\displaystyle f^{\prime}(1)=-6, g′(1)=0\displaystyle g^{\prime}(1)=0이므로h′(1)=f′(1)−g′(1)=−6\displaystyle h^{\prime}(1)=f^{\prime}(1)-g^{\prime}(1)=-6에서h′(x)={−6x+6x−6(0<x≤1)6x−12(x>1)\displaystyle h^{\prime}(x)=\begin{cases}-\frac6x+6x-6&(0<x\leq1)\\6x-12&(x>1)\end{cases}이므로 h′(x)=0\displaystyle h^{\prime}(x)=0을 만족시키는 x\displaystyle x의 값은 2\displaystyle 2이다.또 lim⁡x→0+h(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to0+}h(x)=\infty, lim⁡x→∞h(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to\infty}h(x)=\infty이므로 함수 h(x)\displaystyle h(x)의 증가와 감소를 표로 나타내고, 이를 이용하여 그래프를 그리면 다음과 같다.

x\displaystyle x(0)\displaystyle (0)⋯\displaystyle \cdots2\displaystyle 2⋯\displaystyle \cdots
h′(x)\displaystyle h^{\prime}(x)−\displaystyle -0\displaystyle 0+\displaystyle +
h(x)\displaystyle h(x)↘0\displaystyle 0↗
h(x)의 증감과 수평선 y=c의 교점

따라서 주어진 방정식의 서로 다른 실근의 개수는 c<0\displaystyle c<0일 때 0\displaystyle 0, c=0\displaystyle c=0일 때 1\displaystyle 1, c>0\displaystyle c>0일 때 2\displaystyle 2이다.

+10점 · 방정식 f(x)=g(x)\displaystyle f(x)=g(x)가 c=0\displaystyle c=0일 때 1개의 실근을 갖고 이때 두 곡선은 x=2\displaystyle x=2에서 접하므로 도형의 넓이는 다음과 같다. ∫122{f(x)−g(x)} dx=∫121(−6ln⁡x+6) dx+∫12(−6x+12) dx−∫122(−3x2+6x) dx=[−6xln⁡x+12x]121+[−3x2+12x]12−[−x3+3x2]122=458−3ln⁡2\displaystyle \int_{\frac12}^2\{f(x)-g(x)\}\,dx=\int_{\frac12}^1(-6\ln x+6)\,dx+\int_1^2(-6x+12)\,dx-\int_{\frac12}^2(-3x^2+6x)\,dx=\Biggl[-6x\ln x+12x\Biggr]_{\frac12}^1+\Biggl[-3x^2+12x\Biggr]_1^2-\Biggl[-x^3+3x^2\Biggr]_{\frac12}^2=\frac{45}8-3\ln2

[3.3] 방정식 f(x)=g(x)\displaystyle f(x)=g(x)가 c=0\displaystyle c=0일 때 1개의 실근을 가지므로두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 직선 x=12\displaystyle x=\frac12로 둘러싸인 도형은 아래 그림과 같다.

두 곡선 f(x), g(x)와 x=1/2로 둘러싸인 영역

두 곡선은 x=2\displaystyle x=2에서 접하므로 도형의 넓이는 다음과 같다.∫122{f(x)−g(x)} dx=∫121(−6ln⁡x+6) dx+∫12(−6x+12) dx−∫122(−3x2+6x) dx=[−6xln⁡x+12x]121+[−3x2+12x]12−[−x3+3x2]122=458−3ln⁡2\displaystyle \begin{aligned}\int_{\frac12}^2\{f(x)-g(x)\}\,dx&=\int_{\frac12}^1(-6\ln x+6)\,dx+\int_1^2(-6x+12)\,dx-\int_{\frac12}^2(-3x^2+6x)\,dx\\&=\Biggl[-6x\ln x+12x\Biggr]_{\frac12}^1+\Biggl[-3x^2+12x\Biggr]_1^2-\Biggl[-x^3+3x^2\Biggr]_{\frac12}^2\\&=\frac{45}8-3\ln2\end{aligned}

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