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문제

[문제 3] 다음 <제시문 1>과 <제시문 2>를 읽고 [문제 3-ⅰ] ~ [문제 3-ⅳ]를 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (40점)

<제시문 1>좌표 평면 위에 세 점 A(0,0)\displaystyle \mathrm{A}(0,0), B(2,0)\displaystyle \mathrm{B}(2,0), C(1,3)\displaystyle \mathrm{C}(1,\sqrt{3})을 꼭짓점으로 하는 정삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}가 있다. 1\displaystyle 1 이상의 실수 a\displaystyle a에 대하여 중심이 (a,a23)\displaystyle \left(a,\frac{a^{2}}{\sqrt{3}}\right)이고 반지름이 23\displaystyle \frac{2}{\sqrt{3}}인 원 Ca\displaystyle C_{a}와 정삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 교점을 생각하자.

<제시문 2><제시문 1>의 원 Ca\displaystyle C_{a}와 세 점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}, 1\displaystyle 1 이상의 실수 a\displaystyle a에 대하여 함수 f1(a)\displaystyle f_{1}(a), f2(a)\displaystyle f_{2}(a), f3(a)\displaystyle f_{3}(a)를 각각 다음과 같이 정의하자.(ⅰ) 원 Ca\displaystyle C_{a}와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 교점의 개수를 f1(a)\displaystyle f_{1}(a)라고 하자.(ⅱ) 원 Ca\displaystyle C_{a}와 선분 AC\displaystyle \mathrm{AC}의 교점의 개수를 f2(a)\displaystyle f_{2}(a)라고 하자.(ⅲ) 원 Ca\displaystyle C_{a}와 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 교점의 개수를 f3(a)\displaystyle f_{3}(a)라고 하자.

[문제 3-ⅰ] <제시문 2>에 주어진 함수 f1(a)\displaystyle f_{1}(a)에 대하여, f1(a)≥1\displaystyle f_{1}(a)\ge1이기 위한 a\displaystyle a의 범위에 대하여 논하시오. (10점)

[문제 3-ⅱ] <제시문 2>에 주어진 함수 f1(a)\displaystyle f_{1}(a)에 대하여, f1(a)=2\displaystyle f_{1}(a)=2인 1\displaystyle 1보다 큰 a\displaystyle a의 값들 중에서 가장 작은 값을 m\displaystyle m이라고 두자. m\displaystyle m을 근으로 하고 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1이며 정수 계수를 갖는 삼차다항식을 구하고, 그 이유를 논하시오. (10점)

[문제 3-ⅲ] <제시문 2>에 주어진 함수 f2(a)\displaystyle f_{2}(a)에 대하여, f2(a)≥1\displaystyle f_{2}(a)\ge1이기 위한 a\displaystyle a의 범위에 대하여 논하시오. (10점)

[문제 3-ⅳ] <제시문 2>에 주어진 함수 f3(a)\displaystyle f_{3}(a)에 대하여, f3(a)≥1\displaystyle f_{3}(a)\ge1이기 위한 a\displaystyle a의 범위를 [문제 3-ⅱ]에서 제시된 m\displaystyle m을 이용하여 구하고, 그 이유를 논하시오. (10점)

해설강의 준비중

[문제 3-ⅰ]

+4점 · 원 Ca\displaystyle C_{a}와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 교점이 생길 필요충분조건을 거리함수와 관련지어 설정한다.

선분 AB\displaystyle \mathrm{AB} 위의 임의의 점을 (x,0)\displaystyle (x,0)으로 놓자. 여기서 0≤x≤2\displaystyle 0\le x\le2이다. 원 Ca\displaystyle C_{a}와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 교점이 생길 필요충분조건은 두 점 (x,0)\displaystyle (x,0)과 (a,a23)\displaystyle \left(a,\frac{a^{2}}{\sqrt{3}}\right) 사이의 거리가 23\displaystyle \frac{2}{\sqrt{3}}이 되는 x\displaystyle x가 0\displaystyle 0과 2\displaystyle 2 사이에 존재한다는 것이다. 두 점 (x,0)\displaystyle (x,0)과 (a,a23)\displaystyle \left(a,\frac{a^{2}}{\sqrt{3}}\right) 사이의 거리의 제곱을 f(x)\displaystyle f(x)로 두면, f(x)=(x−a)2+13a4\displaystyle f(x)=(x-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}이므로 f(x)=43\displaystyle f(x)=\frac{4}{3}이 되는 x\displaystyle x를 닫힌 구간 [0,2]\displaystyle [0,2]에서 찾도록 하자. 다음 두 가지 경우로 나누어서 생각해보도록 하겠다.

+6점 · a\displaystyle a의 범위를 두 가지 경우로 나누어, 거리함수와 관련지어 설정한 부등식을 해결한다.

(경우1) 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le2: 이 경우 닫힌 구간 [0,2]\displaystyle [0,2]에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 f(a)=13a4\displaystyle f(a)=\frac{1}{3}a^{4}이고 최댓값은 f(0)=a2+13a4\displaystyle f(0)=a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}이므로, f1(a)≥1\displaystyle f_{1}(a)\ge1일 필요충분조건은 13a4≤43≤a2+13a4\displaystyle \frac{1}{3}a^{4}\le\frac{4}{3}\le a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}임을 알 수 있다. 여기서 13a4≤43\displaystyle \frac{1}{3}a^{4}\le\frac{4}{3}를 풀면, a4−4=(a2+2)(a2−2)≤0\displaystyle a^{4}-4=(a^{2}+2)(a^{2}-2)\le0이므로 −2≤a≤2\displaystyle -\sqrt{2}\le a\le\sqrt{2}를 얻는다. 또한 43≤a2+13a4\displaystyle \frac{4}{3}\le a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}를 풀면, a4+3a2−4≥0\displaystyle a^{4}+3a^{2}-4\ge0이므로 (a2−1)(a2+4)≥0\displaystyle (a^{2}-1)(a^{2}+4)\ge0이 되어 a≥1\displaystyle a\ge1 또는 a≤−1\displaystyle a\le-1을 얻는다. 이제 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le2임을 고려하면, 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le\sqrt{2}이어야 한다.(경우2) a≥2\displaystyle a\ge2: 이 경우 닫힌 구간 [0,2]\displaystyle [0,2]에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 f(2)=(2−a)2+13a4\displaystyle f(2)=(2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}이고 최댓값은 f(0)=a2+13a4\displaystyle f(0)=a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}이므로, f1(a)≥1\displaystyle f_{1}(a)\ge1일 필요충분조건은 (2−a)2+13a4≤43≤a2+13a4\displaystyle (2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}\le\frac{4}{3}\le a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}임을 알 수 있다. 여기서 (2−a)2+13a4≤43\displaystyle (2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}\le\frac{4}{3}를 풀면, a4+3a2−12a+8=(a−1)(a3+a2+4a−8)≤0\displaystyle a^{4}+3a^{2}-12a+8=(a-1)(a^{3}+a^{2}+4a-8)\le0이 되는데, 주어진 조건 a≥2\displaystyle a\ge2로부터 a−1≥1\displaystyle a-1\ge1이고, a3+a2+4a−8=a3−8+a2+4a=(a−2)(a2+2a+4)+a(a+4)≥12\displaystyle a^{3}+a^{2}+4a-8=a^{3}-8+a^{2}+4a=(a-2)(a^{2}+2a+4)+a(a+4)\ge12이므로, 이 경우에 부등식 (2−a)2+13a4≤43\displaystyle (2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}\le\frac{4}{3}를 만족하는 a\displaystyle a는 존재하지 않는다. 따라서 (경우1)과 (경우2)를 종합적으로 고려하면, f1(a)≥1\displaystyle f_{1}(a)\ge1이기 위한 a\displaystyle a의 범위는 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le\sqrt{2}임을 알 수 있다. 아래 그림은 각각 a=1\displaystyle a=1인 경우와 a=2\displaystyle a=\sqrt{2}인 경우의 그림이다.

a=1인 경우 — 정삼각형 ABC와 원 C_a를 함께 그린 그림. 원의 중심 P가 삼각형 안에 있고 원이 삼각형의 세 꼭짓점 부근을 지난다.
a=√2인 경우 — 정삼각형 ABC와 원 C_a를 함께 그린 그림. 원이 오른쪽 위로 옮겨 가 삼각형의 변 AB와 접하듯이 만난다.

[문제 3-ⅱ]

+5점 · f1(a)=2\displaystyle f_{1}(a)=2이기 위해 a\displaystyle a가 만족해야되는 부등식을 올바로 구한다.

[문제 3-ⅰ]의 풀이로부터 f1(a)≥1\displaystyle f_{1}(a)\ge1이기 위한 a\displaystyle a의 범위는 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le\sqrt{2}이 됨을 알았다. 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le\sqrt{2}일 때, 닫힌 구간 [0,2]\displaystyle [0,2]에서 이차함수 f(x)=(x−a)2+13a4\displaystyle f(x)=(x-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}의 그래프의 개형을 살펴보면, y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=43\displaystyle y=\frac{4}{3}의 교점이 2\displaystyle 2개가 되기 위한 필요충분조건은 f(a)<43≤f(2)\displaystyle f(a)<\frac{4}{3}\le f(2)가 됨을 알 수 있다. 따라서 f1(a)=2\displaystyle f_{1}(a)=2일 필요충분조건은 13a4<43≤(2−a)2+13a4\displaystyle \frac{1}{3}a^{4}<\frac{4}{3}\le(2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}이 된다.

+5점 · a\displaystyle a가 만족해야되는 부등식을 풀고, m\displaystyle m이 만족하는 삼차다항식을 제대로 구한다.

여기서 13a4<43\displaystyle \frac{1}{3}a^{4}<\frac{4}{3}를 풀면, a4−4=(a2+2)(a2−2)<0\displaystyle a^{4}-4=(a^{2}+2)(a^{2}-2)<0이므로 −2<a<2\displaystyle -\sqrt{2}<a<\sqrt{2}를 얻는다. 또한 43≤(2−a)2+13a4\displaystyle \frac{4}{3}\le(2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}을 풀면, a4+3a2−12a+8=(a−1)(a3+a2+4a−8)≥0\displaystyle a^{4}+3a^{2}-12a+8=(a-1)(a^{3}+a^{2}+4a-8)\ge0이 되는데, a\displaystyle a의 범위인 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le\sqrt{2}를 감안하면, a3+a2+4a−8≥0\displaystyle a^{3}+a^{2}+4a-8\ge0이 되어야 한다. 이제 함수 k(a)=a3+a2+4a−8\displaystyle k(a)=a^{3}+a^{2}+4a-8이라고 두면, 이것의 도함수는 3a2+2a+4\displaystyle 3a^{2}+2a+4는 항상 양수이므로, 함수 k(a)\displaystyle k(a)는 증가함수가 됨을 알 수 있다. 또한 k(1)=−2<0\displaystyle k(1)=-2<0이고 k(2)=62−6>0\displaystyle k(\sqrt{2})=6\sqrt{2}-6>0이므로, k(x)=0\displaystyle k(x)=0의 실근은 1\displaystyle 1과 2\displaystyle \sqrt{2} 사이에 딱 하나 존재함을 알 수 있다. 이 실근을 α\displaystyle \alpha라고 두면, f1(a)=2\displaystyle f_{1}(a)=2일 필요충분조건은 a=1\displaystyle a=1 또는 α≤a<2\displaystyle \alpha\le a<\sqrt{2}가 된다. 따라서 f1(a)=2\displaystyle f_{1}(a)=2인 1\displaystyle 1보다 큰 a\displaystyle a의 값들 중에서 가장 작은 값을 m\displaystyle m이라고 두면, m=α\displaystyle m=\alpha가 되고, m\displaystyle m이 만족하는 최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 정수계수 삼차다항식 중 하나는 x3+x2+4x−8\displaystyle x^{3}+x^{2}+4x-8임을 알 수 있다. 참고로 아래 그림은 a=m\displaystyle a=m인 경우의 그림이다.

a=m인 경우 — 정삼각형 ABC와 원 C_a를 함께 그린 그림. 원이 변 AB와 두 점에서 만나는 경계 위치에 놓여 있다.

[문제 3-ⅲ]

+4점 · 원 Ca\displaystyle C_{a}와 선분 AC\displaystyle \mathrm{AC}의 교점이 생길 필요충분조건을 거리함수와 관련지어 설정한다.

선분 AC\displaystyle \mathrm{AC} 위의 임의의 점을 (x,3x)\displaystyle (x,\sqrt{3}x)로 놓자. 여기서 0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1이다. 원 Ca\displaystyle C_{a}와 선분 AC\displaystyle \mathrm{AC}의 교점이 생길 필요충분조건은 두 점 (x,3x)\displaystyle (x,\sqrt{3}x)와 (a,a23)\displaystyle \left(a,\frac{a^{2}}{\sqrt{3}}\right) 사이의 거리가 23\displaystyle \frac{2}{\sqrt{3}}이 되는 x\displaystyle x가 0\displaystyle 0과 1\displaystyle 1 사이에 존재한다는 것이다. 두 점 (x,3x)\displaystyle (x,\sqrt{3}x)와 (a,a23)\displaystyle \left(a,\frac{a^{2}}{\sqrt{3}}\right) 사이의 거리의 제곱을 g(x)\displaystyle g(x)로 두면, g(x)=(x−a)2+(3x−13a2)2=4(x−(a+a2)4)2+112a2(a−3)2\displaystyle g(x)=(x-a)^{2}+\left(\sqrt{3}x-\frac{1}{\sqrt{3}}a^{2}\right)^{2}=4\left(x-\frac{(a+a^{2})}{4}\right)^{2}+\frac{1}{12}a^{2}(a-3)^{2}이므로 g(x)=43\displaystyle g(x)=\frac{4}{3}가 되는 x\displaystyle x를 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 찾도록 하자. a≥1\displaystyle a\ge1이므로, 12≤a+a24\displaystyle \frac{1}{2}\le\frac{a+a^{2}}{4}이다. 또한 a+a24=1\displaystyle \frac{a+a^{2}}{4}=1이 되는 a\displaystyle a는 −1+172\displaystyle \frac{-1+\sqrt{17}}{2}이므로, 다음 두 가지 경우로 나누어서 생각해보도록 하겠다.

+6점 · a\displaystyle a의 범위를 두 가지 경우로 나누어, 거리함수와 관련지어 설정한 부등식을 해결한다.

(경우1) 1≤a≤−1+172\displaystyle 1\le a\le\frac{-1+\sqrt{17}}{2}: 이 경우 12≤a+a24≤1\displaystyle \frac{1}{2}\le\frac{a+a^{2}}{4}\le1이므로, 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 g(x)\displaystyle g(x)의 최솟값은 g(a+a24)=112a2(a−3)2\displaystyle g\left(\frac{a+a^{2}}{4}\right)=\frac{1}{12}a^{2}(a-3)^{2}이고 최댓값은 g(0)=a2+13a4\displaystyle g(0)=a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}이 된다. 따라서, f2(a)≥1\displaystyle f_{2}(a)\ge1일 필요충분조건은 112a2(a−3)2≤43≤a2+13a4\displaystyle \frac{1}{12}a^{2}(a-3)^{2}\le\frac{4}{3}\le a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}임을 알 수 있다. 여기서 112a2(a−3)2≤43\displaystyle \frac{1}{12}a^{2}(a-3)^{2}\le\frac{4}{3}를 풀면, (a2−3a+4)(a2−3a−4)=(a2−3a+4)(a+1)(a−4)≤0\displaystyle (a^{2}-3a+4)(a^{2}-3a-4)=(a^{2}-3a+4)(a+1)(a-4)\le0이고, a2−3a+4\displaystyle a^{2}-3a+4는 항상 양수 값을 가지므로 −1≤a≤4\displaystyle -1\le a\le4를 얻는다. 또한 43≤a2+13a4\displaystyle \frac{4}{3}\le a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}를 풀면, a4+3a2−4≥0\displaystyle a^{4}+3a^{2}-4\ge0이므로 (a2−1)(a2+4)≥0\displaystyle (a^{2}-1)(a^{2}+4)\ge0이 되어 a≥1\displaystyle a\ge1 또는 a≤−1\displaystyle a\le-1을 얻는다. 따라서 1≤a≤−1+172\displaystyle 1\le a\le\frac{-1+\sqrt{17}}{2}인 모든 a\displaystyle a에 대하여 f2(a)≥1\displaystyle f_{2}(a)\ge1임을 알 수 있다.(경우2) a≥−1+172\displaystyle a\ge\frac{-1+\sqrt{17}}{2}: 이 경우 a+a24≥1\displaystyle \frac{a+a^{2}}{4}\ge1이므로, 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 g(x)\displaystyle g(x)의 최솟값은 g(1)=(1−a)2+(3−13a2)2\displaystyle g(1)=(1-a)^{2}+\left(\sqrt{3}-\frac{1}{\sqrt{3}}a^{2}\right)^{2}이고 최댓값은 g(0)=a2+13a4\displaystyle g(0)=a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}이 된다. 따라서 이 경우에, f2(a)≥1\displaystyle f_{2}(a)\ge1일 필요충분조건은 (1−a)2+(3−13a2)2≤43≤a2+13a4\displaystyle (1-a)^{2}+\left(\sqrt{3}-\frac{1}{\sqrt{3}}a^{2}\right)^{2}\le\frac{4}{3}\le a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}임을 알 수 있다. 여기서 (1−a)2+(3−13a2)2≤43\displaystyle (1-a)^{2}+\left(\sqrt{3}-\frac{1}{\sqrt{3}}a^{2}\right)^{2}\le\frac{4}{3}를 풀면, a4−3a2−6a+8≤0\displaystyle a^{4}-3a^{2}-6a+8\le0이 되어 (a−1)(a−2)(a2+3a+4)≤0\displaystyle (a-1)(a-2)(a^{2}+3a+4)\le0이므로, 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le2가 된다. 또한 43≤a2+13a4\displaystyle \frac{4}{3}\le a^{2}+\frac{1}{3}a^{4}를 풀면, a4+3a2−4≥0\displaystyle a^{4}+3a^{2}-4\ge0이므로 (a2−1)(a2+4)≥0\displaystyle (a^{2}-1)(a^{2}+4)\ge0이 되어 a≥1\displaystyle a\ge1 또는 a≤−1\displaystyle a\le-1을 얻는다. 이제 a≥−1+172\displaystyle a\ge\frac{-1+\sqrt{17}}{2}임을 감안하면, −1+172≤a≤2\displaystyle \frac{-1+\sqrt{17}}{2}\le a\le2임을 알 수 있다.이제 (경우1)과 (경우2)를 종합적으로 고려하면, f2(a)≥1\displaystyle f_{2}(a)\ge1이기 위한 a\displaystyle a의 범위는 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le2가 됨을 알 수 있다.

[문제 3-ⅳ]

+4점 · 원 Ca\displaystyle C_{a}와 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 교점이 생길 필요충분조건을 거리함수와 관련지어 설정한다.

선분 BC\displaystyle \mathrm{BC} 위의 임의의 점을 (x,3(2−x))\displaystyle (x,\sqrt{3}(2-x))로 놓자. 여기서 1≤x≤2\displaystyle 1\le x\le2이다. 원 Ca\displaystyle C_{a}와 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 교점이 생길 필요충분조건은 두 점 (x,3(2−x))\displaystyle (x,\sqrt{3}(2-x))와 (a,a23)\displaystyle \left(a,\frac{a^{2}}{\sqrt{3}}\right) 사이의 거리가 23\displaystyle \frac{2}{\sqrt{3}}이 되는 x\displaystyle x가 1\displaystyle 1과 2\displaystyle 2 사이에 존재한다는 것이다. 두 점 (x,3(2−x))\displaystyle (x,\sqrt{3}(2-x))와 (a,a23)\displaystyle \left(a,\frac{a^{2}}{\sqrt{3}}\right) 사이의 거리의 제곱을 이차함수 h(x)\displaystyle h(x)로 두자. 그러면, h(x)\displaystyle h(x)는 다음과 같다.h(x)=(x−a)2+(3(2−x)−13a2)2=4(x−(a−a2+6)4)2+112(a2+3a−6)2\displaystyle h(x)=(x-a)^{2}+\left(\sqrt{3}(2-x)-\frac{1}{\sqrt{3}}a^{2}\right)^{2}=4\left(x-\frac{(a-a^{2}+6)}{4}\right)^{2}+\frac{1}{12}(a^{2}+3a-6)^{2}이제 h(x)=43\displaystyle h(x)=\frac{4}{3}가 되는 x\displaystyle x를 닫힌 구간 [1,2]\displaystyle [1,2]에서 찾도록 하자. a≥1\displaystyle a\ge1이므로, a−a2+64≤32\displaystyle \frac{a-a^{2}+6}{4}\le\frac{3}{2}이다. 또한 a−a2+64=1\displaystyle \frac{a-a^{2}+6}{4}=1이 되는 a\displaystyle a는 2\displaystyle 2이므로, 다음 두 가지 경우로 나누어서 생각해보도록 하겠다.

+6점 · a\displaystyle a의 범위를 두 가지 경우로 나누어, 거리함수와 관련지어 설정한 부등식을 해결한다.

(경우1) 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le2: 이 경우 1≤a−a2+64≤32\displaystyle 1\le\frac{a-a^{2}+6}{4}\le\frac{3}{2}이므로, 닫힌 구간 [1,2]\displaystyle [1,2]에서 h(x)\displaystyle h(x)의 최솟값은 h(a−a2+64)=112(a2+3a−6)2\displaystyle h\left(\frac{a-a^{2}+6}{4}\right)=\frac{1}{12}(a^{2}+3a-6)^{2}이고 최댓값은 h(2)=(2−a)2+13a4\displaystyle h(2)=(2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}이 된다. 따라서, f3(a)≥1\displaystyle f_{3}(a)\ge1일 필요충분조건은 112(a2+3a−6)2≤43≤(2−a)2+13a4\displaystyle \frac{1}{12}(a^{2}+3a-6)^{2}\le\frac{4}{3}\le(2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}임을 알 수 있다. 여기서 112(a2+3a−6)2≤43\displaystyle \frac{1}{12}(a^{2}+3a-6)^{2}\le\frac{4}{3}를 풀면, (a2+3a−10)(a2+3a−2)=(a−2)(a+5)(a2+3a−2)≤0\displaystyle (a^{2}+3a-10)(a^{2}+3a-2)=(a-2)(a+5)(a^{2}+3a-2)\le0이고, 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le2에서 (a+5)(a2+3a−2)\displaystyle (a+5)(a^{2}+3a-2)는 항상 양수 값을 가지므로 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le2를 얻는다. 또한 43≤(2−a)2+13a4\displaystyle \frac{4}{3}\le(2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}을 풀면, [문제 3-ⅱ]의 풀이로부터 a=1\displaystyle a=1 또는 a≥m\displaystyle a\ge m임을 알 수 있다. 따라서 f3(a)≥1\displaystyle f_{3}(a)\ge1일 필요충분조건은 a=1\displaystyle a=1 또는 m≤a≤2\displaystyle m\le a\le2이 된다.(경우2) a≥2\displaystyle a\ge2: 이 경우 a−a2+64≤1\displaystyle \frac{a-a^{2}+6}{4}\le1이므로, 닫힌 구간 [1,2]\displaystyle [1,2]에서 h(x)\displaystyle h(x)의 최솟값은 h(1)=a43−a2−2a+4\displaystyle h(1)=\frac{a^{4}}{3}-a^{2}-2a+4이고 최댓값은 h(2)=(2−a)2+13a4\displaystyle h(2)=(2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}이 된다. 따라서, f3(a)≥1\displaystyle f_{3}(a)\ge1일 필요충분조건은 a43−a2−2a+4≤43≤(2−a)2+13a4\displaystyle \frac{a^{4}}{3}-a^{2}-2a+4\le\frac{4}{3}\le(2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}임을 알 수 있다. 여기서 a43−a2−2a+4≤43\displaystyle \frac{a^{4}}{3}-a^{2}-2a+4\le\frac{4}{3}를 풀면, a4−3a2−6a+8≤0\displaystyle a^{4}-3a^{2}-6a+8\le0이 되어 (a−1)(a−2)(a2+3a+4)≤0\displaystyle (a-1)(a-2)(a^{2}+3a+4)\le0이므로, 1≤a≤2\displaystyle 1\le a\le2가 된다. a=2\displaystyle a=2인 경우에, 43≤(2−a)2+13a4\displaystyle \frac{4}{3}\le(2-a)^{2}+\frac{1}{3}a^{4}도 만족되므로, 이 경우에 a=2\displaystyle a=2만이 f3(a)≥1\displaystyle f_{3}(a)\ge1이 된다.이제 (경우1)과 (경우2)를 종합적으로 고려하면, f3(a)≥1\displaystyle f_{3}(a)\ge1이기 위한 a\displaystyle a의 범위는 a=1\displaystyle a=1 또는 m≤a≤2\displaystyle m\le a\le2가 된다.

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