수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

양수 a\displaystyle a에 대하여, 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 다음과 같이 정의한다.f(x)=x3−3ax\displaystyle f(x)=x^3-3ax

[2.1] 양수 c\displaystyle c에 대하여 직선 y=c\displaystyle y=c와 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 교점의 개수가 2\displaystyle 2개일 때, c\displaystyle c를 a\displaystyle a에 관한 식으로 나타내시오.

[2.2] 문항 [2.1]에서 구한 c\displaystyle c에 대하여, 직선 y=c\displaystyle y=c와 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S를 a\displaystyle a에 관한 식으로 나타내시오.

[2.3] 문항 [2.2]에서 구한 S\displaystyle S에 대하여, 3≤a≤5\displaystyle 3\leq a\leq5인 범위에서 4S27(a−2)2(6−a)\displaystyle \frac{4S}{27(a-2)^2(6-a)}의 최솟값을 구하시오.

해설강의 준비중

[2.1] 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 도함수f′(x)=3x2−3a=3(x+a)(x−a)\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-3a=3(x+\sqrt a)(x-\sqrt a)로부터 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 증감표는 다음과 같다.

x\displaystyle x⋯\displaystyle \cdots−a\displaystyle -\sqrt a⋯\displaystyle \cdotsa\displaystyle \sqrt a⋯\displaystyle \cdots
f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)>0\displaystyle >00\displaystyle 0<0\displaystyle <00\displaystyle 0>0\displaystyle >0
y\displaystyle y증가극대감소극소증가

이를 이용하여 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프를 그려보면 직선 y=c\displaystyle y=c와 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 두 점에서 만나기 위해서는 c\displaystyle c가 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 극댓값 혹은 극솟값과 같아야 한다는 것을 알 수 있다. 극댓값은 f(−a)=2aa\displaystyle f(-\sqrt a)=2a\sqrt a이고 극솟값은 f(a)=−2aa\displaystyle f(\sqrt a)=-2a\sqrt a이므로 구하는 값은 c=2aa\displaystyle c=2a\sqrt a이다.

삼차함수의 극대와 극소 및 수평선과의 교점

[2.2] 직선 y=2aa\displaystyle y=2a\sqrt a와 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 교점의 x\displaystyle x좌표는x3−3ax−2aa=(x+a)2(x−2a)=0\displaystyle x^3-3ax-2a\sqrt a=(x+\sqrt a)^2(x-2\sqrt a)=0으로부터 x=−a\displaystyle x=-\sqrt a 또는 x=2a\displaystyle x=2\sqrt a이다.이 구간에서 직선 y=2aa\displaystyle y=2a\sqrt a가 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)보다 위쪽에 위치하므로S=∫−a2a(2aa−(x3−3ax)) dx=[2aax−x44+3ax22]−a2a=27a24\displaystyle \begin{aligned}S&=\int_{-\sqrt a}^{2\sqrt a}(2a\sqrt a-(x^3-3ax))\,dx\\&=\Biggl[2a\sqrt a x-\frac{x^4}4+\frac{3ax^2}2\Biggr]_{-\sqrt a}^{2\sqrt a}=\frac{27a^2}4\end{aligned}이다.

[2.3] g(x)=x2(x−2)2(6−x)\displaystyle g(x)=\frac{x^2}{(x-2)^2(6-x)}의 최솟값을 구간 3≤x≤5\displaystyle 3\leq x\leq5에서 구하면 된다. 함수 y=g(x)\displaystyle y=g(x)가 닫힌구간에서 연속이므로 최솟값은 구간의 양 끝점 혹은 g′(x)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=0을 만족하는 점에서의 함숫값 중 가장 작은 값이다.g′(x)=2x(x−2)2(6−x)−x2{2(x−2)(6−x)−(x−2)2}(x−2)4(6−x)2=x(x2+2x−24)(x−2)3(6−x)2=x(x+6)(x−4)(x−2)3(6−x)2\displaystyle \begin{aligned}g^{\prime}(x)&=\frac{2x(x-2)^2(6-x)-x^2\{2(x-2)(6-x)-(x-2)^2\}}{(x-2)^4(6-x)^2}\\&=\frac{x(x^2+2x-24)}{(x-2)^3(6-x)^2}=\frac{x(x+6)(x-4)}{(x-2)^3(6-x)^2}\end{aligned}이므로 g′(x)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=0을 만족하는 값은 구간 3≤x≤5\displaystyle 3\leq x\leq5 내에서 x=4\displaystyle x=4 뿐이다. 그러므로g(3)=3,g(4)=2,g(5)=259\displaystyle g(3)=3,\quad g(4)=2,\quad g(5)=\frac{25}9중 가장 작은 값인 2\displaystyle 2가 최솟값이다.

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