수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

다음과 같이 정의된 두 함수가 있다.f(x)=5x1+5x−12,g(x)=mx\displaystyle f(x)=\frac{5^x}{1+5^x}-\frac12,\quad g(x)=mx (단, m>0\displaystyle m>0)

[2.1] 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프가 원점에 대해서 대칭임을 보이시오.

[2.2] 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 직선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프가 세 점에서 만나기 위한 m\displaystyle m의 범위를 구하시오.

[2.3] 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 직선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프가 세 점 (a,ma)\displaystyle (a,ma), (b,mb)\displaystyle (b,mb), (c,mc)\displaystyle (c,mc)에서 만나고, 직선 x=a\displaystyle x=a, y=−12\displaystyle y=-\frac12, x=c\displaystyle x=c 및 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)로 둘러싸인 도형의 넓이가 2\displaystyle 2일 때, 실수 m\displaystyle m의 값을 구하시오. (단, a<b<c\displaystyle a<b<c)

해설강의 준비중

[2.1] 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 원점에 대해서 대칭일 필요충분조건은 f(−x)=−f(x)\displaystyle f(-x)=-f(x)가 성립하는 것이다. 여기서f(−x)=5−x1+5−x−12=11+5x−12=1+5x−5x1+5x−12=12−5x1+5x=−f(x)\displaystyle f(-x)=\frac{5^{-x}}{1+5^{-x}}-\frac12=\frac1{1+5^x}-\frac12=\frac{1+5^x-5^x}{1+5^x}-\frac12=\frac12-\frac{5^x}{1+5^x}=-f(x)가 성립하므로 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프는 원점에 대해서 대칭이다.

[2.2] h(x)=f(x)−g(x)\displaystyle h(x)=f(x)-g(x)라고 놓으면 h(x)=0\displaystyle h(x)=0을 만족하는 x\displaystyle x가 세 개임을 보이면 된다. y=h(x)\displaystyle y=h(x)의 그래프는 원점대칭이므로 원점을 지나고, h(x)=0\displaystyle h(x)=0을 만족하는 x\displaystyle x가 x>0\displaystyle x>0인 범위에서 오직 하나뿐임을 보이면 충분하다. 이때h′(x)=(ln⁡5)5x(1+5x)2−m,h′′(x)=−(ln⁡5)2(5x−1)5x(1+5x)3\displaystyle h^{\prime}(x)=\frac{(\ln5)5^x}{(1+5^x)^2}-m,\quad h^{\prime\prime}(x)=-\frac{(\ln5)^2(5^x-1)5^x}{(1+5^x)^3}이다. 여기서 x>0\displaystyle x>0인 범위에서 h′′(x)<0\displaystyle h^{\prime\prime}(x)<0이므로 h′(x)\displaystyle h^{\prime}(x)는 x>0\displaystyle x>0인 범위에서 감소한다.또한 lim⁡x→∞h′(x)=−m<0\displaystyle \lim_{x\to\infty}h^{\prime}(x)=-m<0이므로 h′(0)=14ln⁡5−m>0\displaystyle h^{\prime}(0)=\frac14\ln5-m>0이면 y=h(x)\displaystyle y=h(x)는 x>0\displaystyle x>0인 범위에서 h′(x)=0\displaystyle h^{\prime}(x)=0을 만족하는 x=x0\displaystyle x=x_0 (x0>0\displaystyle x_0>0)이 유일하게 존재한다.−12<f(x)<12\displaystyle -\frac12<f(x)<\frac12로부터, 함수 h(x)\displaystyle h(x)의 증감표는 다음과 같다.

x\displaystyle x0\displaystyle 0⋯\displaystyle \cdotsx0\displaystyle x_0⋯\displaystyle \cdots1m\displaystyle \frac1m⋯\displaystyle \cdots
h′(x)\displaystyle h^{\prime}(x)14ln⁡5−m\displaystyle \frac14\ln5-m+\displaystyle +0−\displaystyle -−\displaystyle -−\displaystyle -
h(x)\displaystyle h(x)0증가극댓값 >0\displaystyle >0감소−\displaystyle -감소

따라서 그래프의 개형으로부터 y=h(x)\displaystyle y=h(x)의 그래프는 0<x<1m\displaystyle 0<x<\frac1m인 범위에서 x\displaystyle x축과 단 한 번 만난다는 것을 알 수 있다.한편, m≥14ln⁡5\displaystyle m\geq\frac14\ln5이면 h′(0)≤0\displaystyle h^{\prime}(0)\leq0이므로 h(x)\displaystyle h(x)가 x>0\displaystyle x>0에서 감소함수이다. 그런데 h(0)=0\displaystyle h(0)=0이므로 x>0\displaystyle x>0인 범위에서 x\displaystyle x축과 만나지 않는다. 따라서 0<m<14ln⁡5\displaystyle 0<m<\frac14\ln5이다.

[2.3] y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프가 모두 원점대칭이므로 a=−c\displaystyle a=-c이다.또한, f(x)>−12\displaystyle f(x)>-\frac12로 부터 문제에 제시된 도형의 넓이는 ∫−cc5x1+5x dx\displaystyle \int_{-c}^c\frac{5^x}{1+5^x}\,dx이다. 여기서∫−cc5x1+5x dx=∫−c05x1+5x dx+∫0c5x1+5x dx\displaystyle \int_{-c}^c\frac{5^x}{1+5^x}\,dx=\int_{-c}^0\frac{5^x}{1+5^x}\,dx+\int_0^c\frac{5^x}{1+5^x}\,dx이고 우변의 첫 번째 적분에서 t=−x\displaystyle t=-x로 치환하면∫−c05x1+5x dx=∫0c5−t1+5−t dt=∫0c11+5t dt\displaystyle \int_{-c}^0\frac{5^x}{1+5^x}\,dx=\int_0^c\frac{5^{-t}}{1+5^{-t}}\,dt=\int_0^c\frac1{1+5^t}\,dt이 성립한다. 도형의 넓이가 2\displaystyle 2이므로∫−cc5x1+5x dx=∫0c11+5x dx+∫0c5x1+5x dx=∫0c1 dx=c=2\displaystyle \int_{-c}^c\frac{5^x}{1+5^x}\,dx=\int_0^c\frac1{1+5^x}\,dx+\int_0^c\frac{5^x}{1+5^x}\,dx=\int_0^c1\,dx=c=2이다. 따라서 f(2)=251+25−12=g(2)=2m\displaystyle f(2)=\frac{25}{1+25}-\frac12=g(2)=2m으로부터 m=313\displaystyle m=\frac3{13}이다.

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