수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계 2교시 3번

문제

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[문제 3-ⅰ]

+10점 · 등차수열과 미분에 대해 올바르게 이해하고 있고, 정적분의 값을 올바르게 구할 수 있다.

px2+qx+r=f(x)=g(x)=3x2+2Ax+B\displaystyle px^{2}+qx+r=f(x)=g^{\prime}(x)=3x^{2}+2Ax+B로부터 p=3\displaystyle p=3이다.수열 Sn=f(n)\displaystyle S_{n}=f(n)이 등차수열 {an}\displaystyle \{a_{n}\}의 첫째항부터 제 n\displaystyle n항까지의 합이라고 할 때,SnSn1=an=f(n)f(n1)=6(n1)+q+3=6n+q3(n2일 때)\displaystyle S_{n}-S_{n-1}=a_{n}=f(n)-f(n-1)=6(n-1)+q+3=6n+q-3\qquad(n\ge2\text{일 때})이 성립하므로 공차는 6\displaystyle 6이다. 또한, a1=S1=f(1)\displaystyle a_{1}=S_{1}=f(1)이므로,a1=3+q=f(1)=3+q+r\displaystyle a_{1}=3+q=f(1)=3+q+r를 얻게 되고, r=0\displaystyle r=0이다. 한편, 함수 y=h(x)\displaystyle y=h(x)의 조건으로부터g(0)=0=g(6)=108+6q\displaystyle g^{\prime}(0)=0=g^{\prime}(6)=108+6q를 얻게 되어, q=18\displaystyle q=-18이고, h(6)=h(0)+h(6)\displaystyle h(6)=h(0)+h(6)로부터 C=h(0)=0\displaystyle C=h(0)=0이다. 따라서, 두 함수 f(x)\displaystyle f(x)g(x)\displaystyle g(x)f(x)=3x218x,g(x)=x39x2\displaystyle f(x)=3x^{2}-18x,\qquad g(x)=x^{3}-9x^{2}이다. 이로부터 정적분 값을 구하면06g(x)dx=06x39x2dx=324\displaystyle \int_{0}^{6}g(x)dx=\int_{0}^{6}x^{3}-9x^{2}dx=-32402g(x)dx=02(x39x2)dx=20\displaystyle \int_{0}^{2}g(x)dx=\int_{0}^{2}(x^{3}-9x^{2})dx=-20이고 g(6)g(0)=108\displaystyle g(6)-g(0)=-108이므로,08h(x)dx=32420108×2=560\displaystyle \int_{0}^{8}h(x)dx=-324-20-108\times2=-560이다.

[문제 3-ⅱ]

+10점 · 이차방정식의 근과 계수의 관계를 올바르게 이해하고 있고, 정적분의 값을 올바르게 구할 수 있다.

두 실수 α,β\displaystyle \alpha,\betaf(x)=px2+qx+r=0\displaystyle f(x)=px^{2}+qx+r=0의 해이고 r0\displaystyle r\ne0이므로, 모두 0\displaystyle 0이 아니다. 또한 α,β\displaystyle \alpha,\beta는 삼차방정식g(x)f(x)=(x3+qx2+px+r)(px2+qx+r)=x(x2+(qp)x(qp))=0\displaystyle g(x)-f(x)=(x^{3}+qx^{2}+px+r)-(px^{2}+qx+r)=x(x^{2}+(q-p)x-(q-p))=0의 해가 되므로, 이차방정식x2+(qp)x(qp)=0\displaystyle x^{2}+(q-p)x-(q-p)=0의 해가 되어, α+β=αβ=pq\displaystyle \alpha+\beta=\alpha\beta=p-q가 성립한다. 한편, α+β=qp\displaystyle \alpha+\beta=-\frac{q}{p}, αβ=rp\displaystyle \alpha\beta=\frac{r}{p}가 성립하므로,α+β=αβ=pq=qp=rp\displaystyle \alpha+\beta=\alpha\beta=p-q=-\frac{q}{p}=\frac{r}{p}를 얻을 수 있고, 이로부터 r=q\displaystyle r=-q이다. 또한, pq=qp\displaystyle p-q=-\frac{q}{p}로부터 p2=q(p1)\displaystyle p^{2}=q(p-1)을 얻게 되고, p1\displaystyle p\ne1임을 알 수 있다. 양변을 p1\displaystyle p-1로 나누면 q=p2p1=p+1+1p1\displaystyle q=\frac{p^{2}}{p-1}=p+1+\frac{1}{p-1}를 얻게 되고, q\displaystyle q는 정수이므로 p=2\displaystyle p=2이다. 따라서, (p,q,r)=(2,4,4)\displaystyle (p,q,r)=(2,4,-4)을 얻게 되어f(x)=2x2+4x4,g(x)=x3+4x2+2x4\displaystyle f(x)=2x^{2}+4x-4,\qquad g(x)=x^{3}+4x^{2}+2x-4이고, α=13\displaystyle \alpha=-1-\sqrt{3}, β=1+3\displaystyle \beta=-1+\sqrt{3}이다. 따라서 구하고자 하는 정적분은αβf(x)g(x)dx=α0x(x2+2x2)dx0βx(x2+2x2)dx=14(α4+β4)23(α3+β3)+(α2+β2)\displaystyle \begin{aligned} \int_{\alpha}^{\beta}|f(x)-g(x)|dx &=\int_{\alpha}^{0}x(x^{2}+2x-2)dx-\int_{0}^{\beta}x(x^{2}+2x-2)dx \\ &=-\frac{1}{4}(\alpha^{4}+\beta^{4})-\frac{2}{3}(\alpha^{3}+\beta^{3})+(\alpha^{2}+\beta^{2}) \end{aligned}이다. α+β=αβ=2\displaystyle \alpha+\beta=\alpha\beta=-2로부터α2+β2=8, α3+β3=20, α4+β4=56\displaystyle \alpha^{2}+\beta^{2}=8,\ \alpha^{3}+\beta^{3}=-20,\ \alpha^{4}+\beta^{4}=56을 얻게 되어, 문제의 정적분의 값은 223\displaystyle \frac{22}{3}임을 알 수 있다.

[문제 3-ⅲ]

+10점 · 도함수를 활용하여 함수의 증가와 감소, 극대와 극소에 대해 올바르게 이해하고 있다.

A+B=0\displaystyle A+B=0, AB=9C\displaystyle AB=9C가 성립하므로, 삼차함수 g(x)=x3+Ax2AxA29\displaystyle g(x)=x^{3}+Ax^{2}-Ax-\frac{A^{2}}{9}이다.이차방정식 g(x)=3x2+2AxA=0\displaystyle g^{\prime}(x)=3x^{2}+2Ax-A=0이 서로 다른 두 실근을 가져야 하므로, 판별식 D=A2+3A>0\displaystyle D=A^{2}+3A>0이 성립해야 하고, 이로부터 A>0\displaystyle A>0 또는 A<3\displaystyle A<-3이다.이때, 이차방정식 g(x)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=0의 두 근 A±A2+3A3\displaystyle \frac{-A\pm\sqrt{A^{2}+3A}}{3}을 각각 a,b\displaystyle a,b(단, a<b\displaystyle a<b)라고 하면,a+b=2A3, ab=A3\displaystyle a+b=-\frac{2A}{3},\ ab=-\frac{A}{3}이 성립한다. 한편,g(a)=a3+Aa2AaA29=g(a)(a3+A9)29A(A+3)a=29A(A+3)a>0\displaystyle \begin{aligned} g(a) &=a^{3}+Aa^{2}-Aa-\frac{A^{2}}{9} \\ &=g^{\prime}(a)\left(\frac{a}{3}+\frac{A}{9}\right)-\frac{2}{9}A(A+3)a \\ &=-\frac{2}{9}A(A+3)a>0 \end{aligned}이 되어 a<0\displaystyle a<0이다. 동일한 방법으로 g(b)=29A(A+3)b<0\displaystyle g(b)=-\frac{2}{9}A(A+3)b<0 으로부터 b>0\displaystyle b>0을 얻게 되어, A=3ab>0\displaystyle A=-3ab>0을 얻을 수 있다. 마지막으로,246=g(a)g(b)=(a3b3)+A(a2b2)A(ab)=(ab)((a2+ab+b2)+A(a+b)A)=427A(A+3)A(A+3)\displaystyle \begin{aligned} 24\sqrt{6} &=g(a)-g(b) \\ &=(a^{3}-b^{3})+A(a^{2}-b^{2})-A(a-b) \\ &=(a-b)((a^{2}+ab+b^{2})+A(a+b)-A) \\ &=\frac{4}{27}A(A+3)\sqrt{A(A+3)} \end{aligned}을 얻게 되어 A(A+3)=54\displaystyle A(A+3)=54이다. 따라서, A=6\displaystyle A=6이다.

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