수리논술, 이게 다다.

자연계열 수학1

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문제

[수학1] 다음 <제시문1> ~ <제시문3>을 읽고 [수학1-ⅰ] ~ [수학1-ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

<제시문1>좌표평면 위의 두 점 A(x1, y1)\displaystyle \mathrm{A}(x_{1},\,y_{1}), B(x2, y2)\displaystyle \mathrm{B}(x_{2},\,y_{2})를 이은 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 m:n (m>0, n>0)\displaystyle m:n\ (m>0,\ n>0)으로 내분하는 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표는 다음과 같다.(mx2+nx1m+n, my2+ny1m+n)\displaystyle \left(\frac{mx_{2}+nx_{1}}{m+n},\ \frac{my_{2}+ny_{1}}{m+n}\right) (단, m≠n\displaystyle m\ne n)

<제시문2>함수 f(x)\displaystyle f(x)에서 x=a\displaystyle x=a를 포함하는 어떤 열린구간에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여 f(x)≤f(a)\displaystyle f(x)\le f(a)일 때, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극대라 하며, f(a)\displaystyle f(a)를 극댓값이라고 한다. 또, x=a\displaystyle x=a를 포함하는 어떤 열린구간에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여 f(x)≥f(a)\displaystyle f(x)\ge f(a)일 때, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극소라 하며, f(a)\displaystyle f(a)를 극솟값이라고 한다. 극댓값과 극솟값을 통틀어 극값이라고 한다.

<제시문3>삼차함수 f(x)=x3+ax2+bx\displaystyle f(x)=x^{3}+ax^{2}+bx가 서로 다른 두 개의 극값을 x=α\displaystyle x=\alpha와 x=β\displaystyle x=\beta에서 가진다고 한다. 이때, 두 점 A(α,f(α))\displaystyle \mathrm{A}(\alpha,f(\alpha))와 B(β,f(β))\displaystyle \mathrm{B}(\beta,f(\beta))를 잇는 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 고려한다. (단, a\displaystyle a와 b\displaystyle b는 정수이고, α<β\displaystyle \alpha<\beta이다.)

[수학1-ⅰ] <제시문3>에서 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 기울기 값이 −29\displaystyle -\frac{2}{9}보다 크기 위한 정수 a\displaystyle a와 b\displaystyle b가 존재하지 않음을 보이고, 그 이유를 논하시오. (10점)

[수학1-ⅱ] <제시문3>에서 −5≤a≤5\displaystyle -5\le a\le5, −5≤b≤5\displaystyle -5\le b\le5일 때, 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}가 x\displaystyle x축과 만나지 않도록 하는 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)를 모두 구하고, 그 이유를 논하시오. (10점)

[수학1-ⅲ] <제시문3>에서 −3≤a≤3\displaystyle -3\le a\le3, −3≤b≤3\displaystyle -3\le b\le3일 때, 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 삼등분하는 두 점을 C\displaystyle \mathrm{C}와 D\displaystyle \mathrm{D}라고 하자. 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}가 y\displaystyle y축과 만나지 않도록 하는 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)의 개수를 구하고, 그 이유를 논하시오. (10점)

해설강의 준비중

[수학1-ⅰ]

+5점 · 부등식 b<a23\displaystyle b<\frac{a^{2}}{3}을 유도할 수 있다.

f′(x)=3x2+2ax+b\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^{2}+2ax+b이고 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 서로 다른 두 개의 극값을 가지므로, a2>3b\displaystyle a^{2}>3b이다.또한, α+β=−2a3\displaystyle \alpha+\beta=-\frac{2a}{3}, αβ=b3\displaystyle \alpha\beta=\frac{b}{3}이다. f(β)−f(α)β−α>−29\displaystyle \frac{f(\beta)-f(\alpha)}{\beta-\alpha}>\frac{-2}{9}라고 하면,

+5점 · 부등식 b>a2−13\displaystyle b>\frac{a^{2}-1}{3}을 유도할 수 있다.

f(β)−f(α)β−α=(β2+βα+α2)+a(β+α)+b=(α+β)2−αβ+a(α+β)+b=(−2a3)2−b3−2a23+b>−29\displaystyle \begin{aligned} \frac{f(\beta)-f(\alpha)}{\beta-\alpha} &=(\beta^{2}+\beta\alpha+\alpha^{2})+a(\beta+\alpha)+b \\ &=(\alpha+\beta)^{2}-\alpha\beta+a(\alpha+\beta)+b \\ &=\left(-\frac{2a}{3}\right)^{2}-\frac{b}{3}-\frac{2a^{2}}{3}+b>-\frac{2}{9} \end{aligned}이다. 이를 정리하면, b>a2−13\displaystyle b>\frac{a^{2}-1}{3}이다. 즉, 3b+1>a2\displaystyle 3b+1>a^{2}이다.따라서, 3b+1>a2>3b\displaystyle 3b+1>a^{2}>3b를 얻게 되고, 이를 만족하는 정수 a\displaystyle a와 b\displaystyle b는 존재하지 않는다.

[수학1-ⅱ]

+5점 · 부등식 b>a24\displaystyle b>\frac{a^{2}}{4}을 유도할 수 있다.

f′(x)=3x2+2ax+b\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^{2}+2ax+b이고 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 서로 다른 두 개의 극값을 가지므로, a2>3b\displaystyle a^{2}>3b이다.선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}가 x\displaystyle x축과 만나지 않으므로, f(α)f(β)>0\displaystyle f(\alpha)f(\beta)>0이 성립한다. 여기서,f(α)f(β)=(α3+aα2+bα)(β3+aβ2+bβ),α+β=−2a3, αβ=b3\displaystyle f(\alpha)f(\beta)=(\alpha^{3}+a\alpha^{2}+b\alpha)(\beta^{3}+a\beta^{2}+b\beta),\quad\alpha+\beta=-\frac{2a}{3},\ \alpha\beta=\frac{b}{3}이므로, f(α)f(β)=b2(4b−a2)27>0\displaystyle f(\alpha)f(\beta)=\frac{b^{2}(4b-a^{2})}{27}>0이다. 즉, b>a24\displaystyle b>\frac{a^{2}}{4}이다.

+5점 · 경우의 수를 올바르게 구할 수 있다.

a2>3b\displaystyle a^{2}>3b이므로 a24<b<a23\displaystyle \frac{a^{2}}{4}<b<\frac{a^{2}}{3}이므로 −5≤a≤5\displaystyle -5\le a\le5, −5≤b≤5\displaystyle -5\le b\le5를 만족하는 (a,b)\displaystyle (a,b)는 (−4,5),(4,5)\displaystyle (-4,5),(4,5)이다.

[수학1-ⅲ]

+5점 · 부등식 b>−83a2\displaystyle b>-\frac{8}{3}a^{2}을 유도할 수 있다.

f′(x)=3x2+2ax+b\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^{2}+2ax+b이고 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 서로 다른 두 개의 극값을 가지므로, a2>3b\displaystyle a^{2}>3b이고 α+β=−2a3\displaystyle \alpha+\beta=-\frac{2a}{3}, αβ=b3\displaystyle \alpha\beta=\frac{b}{3}이다.선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 삼등분 하는 두 점의 x\displaystyle x좌표는 각각 2α+β3\displaystyle \frac{2\alpha+\beta}{3}과 α+2β3\displaystyle \frac{\alpha+2\beta}{3}이다.선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}가 y\displaystyle y축과 만나지 않기 위해서는 두 좌표값의 곱이 양수여야 한다.(2α+β3)(α+2β3)=19(2α2+2β2+5αβ)=19(2(α+β)2+αβ)=19(2(−2a3)2+b3)>0\displaystyle \left(\frac{2\alpha+\beta}{3}\right)\left(\frac{\alpha+2\beta}{3}\right)=\frac{1}{9}(2\alpha^{2}+2\beta^{2}+5\alpha\beta)=\frac{1}{9}\left(2(\alpha+\beta)^{2}+\alpha\beta\right)=\frac{1}{9}\left(2\left(-\frac{2a}{3}\right)^{2}+\frac{b}{3}\right)>0이고, b>−83a2\displaystyle b>-\frac{8}{3}a^{2}이다.

+5점 · 경우의 수를 올바르게 구할 수 있다.

a2>3b\displaystyle a^{2}>3b이므로 −83a2<b<a23\displaystyle -\frac{8}{3}a^{2}<b<\frac{a^{2}}{3}이다. 이를 만족하는 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)는a=1\displaystyle a=1일 때, b=0,−1,−2\displaystyle b=0,-1,-2a=2\displaystyle a=2일 때, b=1,0,−1,−2,−3\displaystyle b=1,0,-1,-2,-3a=3\displaystyle a=3일 때, b=2,1,0,−1,−2,−3\displaystyle b=2,1,0,-1,-2,-3 이다.따라서 가능한 모든 쌍의 개수는 2×(3+5+6)=28\displaystyle 2\times(3+5+6)=28개다.

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