[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), B(2,0), C(1,3)을 꼭짓점으로 하는 정삼각형 ABC가 있다. 1 이상의 실수 a에 대하여 중심이 (a,3a2)이고 반지름이 32인 원 Ca와 정삼각형 ABC의 교점을 생각하자.
<제시문 2><제시문 1>의 원 Ca와 세 점 A, B, C, 1 이상의 실수 a에 대하여 함수 f1(a), f2(a), f3(a)를 각각 다음과 같이 정의하자.(ⅰ)원 Ca와 선분 AB의 교점의 개수를 f1(a)라고 하자.(ⅱ)원 Ca와 선분 AC의 교점의 개수를 f2(a)라고 하자.(ⅲ)원 Ca와 선분 BC의 교점의 개수를 f3(a)라고 하자.
[문제 3-ⅰ] <제시문 2>에 주어진 함수 f1(a)에 대하여, f1(a)≥1이기 위한 a의 범위에 대하여 논하시오. (10점)
[문제 3-ⅱ] <제시문 2>에 주어진 함수 f1(a)에 대하여, f1(a)=2인 1보다 큰 a의 값들 중에서 가장 작은 값을 m이라고 두자. m을 근으로 하고 최고차항의 계수가 1이며 정수 계수를 갖는 삼차다항식을 구하고, 그 이유를 논하시오. (10점)
[문제 3-ⅲ] <제시문 2>에 주어진 함수 f2(a)에 대하여, f2(a)≥1이기 위한 a의 범위에 대하여 논하시오. (10점)
[문제 3-ⅳ] <제시문 2>에 주어진 함수 f3(a)에 대하여, f3(a)≥1이기 위한 a의 범위를 [문제 3-ⅱ]에서 제시된 m을 이용하여 구하고, 그 이유를 논하시오. (10점)
해설강의 준비중
성균관대 2025학년도 모의 수리형 3번 · mathesis.kr/archive/skku/2025mo/suri_3
[문제 3-ⅰ]
+4점 · 원 Ca와 선분 AB의 교점이 생길 필요충분조건을 거리함수와 관련지어 설정한다.
선분 AB 위의 임의의 점을 (x,0)으로 놓자. 여기서 0≤x≤2이다. 원 Ca와 선분 AB의 교점이 생길 필요충분조건은 두 점 (x,0)과 (a,3a2) 사이의 거리가 32이 되는 x가 0과 2 사이에 존재한다는 것이다. 두 점 (x,0)과 (a,3a2) 사이의 거리의 제곱을 f(x)로 두면, f(x)=(x−a)2+31a4이므로 f(x)=34이 되는 x를 닫힌 구간 [0,2]에서 찾도록 하자. 다음 두 가지 경우로 나누어서 생각해보도록 하겠다.
+6점 · a의 범위를 두 가지 경우로 나누어, 거리함수와 관련지어 설정한 부등식을 해결한다.
(경우1) 1≤a≤2: 이 경우 닫힌 구간 [0,2]에서 f(x)의 최솟값은 f(a)=31a4이고 최댓값은 f(0)=a2+31a4이므로, f1(a)≥1일 필요충분조건은 31a4≤34≤a2+31a4임을 알 수 있다. 여기서 31a4≤34를 풀면, a4−4=(a2+2)(a2−2)≤0이므로 −2≤a≤2를 얻는다. 또한 34≤a2+31a4를 풀면, a4+3a2−4≥0이므로 (a2−1)(a2+4)≥0이 되어 a≥1 또는 a≤−1을 얻는다. 이제 1≤a≤2임을 고려하면, 1≤a≤2이어야 한다.(경우2) a≥2: 이 경우 닫힌 구간 [0,2]에서 f(x)의 최솟값은 f(2)=(2−a)2+31a4이고 최댓값은 f(0)=a2+31a4이므로, f1(a)≥1일 필요충분조건은 (2−a)2+31a4≤34≤a2+31a4임을 알 수 있다. 여기서 (2−a)2+31a4≤34를 풀면, a4+3a2−12a+8=(a−1)(a3+a2+4a−8)≤0이 되는데, 주어진 조건 a≥2로부터 a−1≥1이고, a3+a2+4a−8=a3−8+a2+4a=(a−2)(a2+2a+4)+a(a+4)≥12이므로, 이 경우에 부등식 (2−a)2+31a4≤34를 만족하는 a는 존재하지 않는다. 따라서 (경우1)과 (경우2)를 종합적으로 고려하면, f1(a)≥1이기 위한 a의 범위는 1≤a≤2임을 알 수 있다. 아래 그림은 각각 a=1인 경우와 a=2인 경우의 그림이다.
[문제 3-ⅱ]
+5점 · f1(a)=2이기 위해 a가 만족해야되는 부등식을 올바로 구한다.
[문제 3-ⅰ]의 풀이로부터 f1(a)≥1이기 위한 a의 범위는 1≤a≤2이 됨을 알았다. 1≤a≤2일 때, 닫힌 구간 [0,2]에서 이차함수 f(x)=(x−a)2+31a4의 그래프의 개형을 살펴보면, y=f(x)와 y=34의 교점이 2개가 되기 위한 필요충분조건은 f(a)<34≤f(2)가 됨을 알 수 있다. 따라서 f1(a)=2일 필요충분조건은 31a4<34≤(2−a)2+31a4이 된다.
+5점 · a가 만족해야되는 부등식을 풀고, m이 만족하는 삼차다항식을 제대로 구한다.
여기서 31a4<34를 풀면, a4−4=(a2+2)(a2−2)<0이므로 −2<a<2를 얻는다. 또한 34≤(2−a)2+31a4을 풀면, a4+3a2−12a+8=(a−1)(a3+a2+4a−8)≥0이 되는데, a의 범위인 1≤a≤2를 감안하면, a3+a2+4a−8≥0이 되어야 한다. 이제 함수 k(a)=a3+a2+4a−8이라고 두면, 이것의 도함수는 3a2+2a+4는 항상 양수이므로, 함수 k(a)는 증가함수가 됨을 알 수 있다. 또한 k(1)=−2<0이고 k(2)=62−6>0이므로, k(x)=0의 실근은 1과 2 사이에 딱 하나 존재함을 알 수 있다. 이 실근을 α라고 두면, f1(a)=2일 필요충분조건은 a=1 또는 α≤a<2가 된다. 따라서 f1(a)=2인 1보다 큰 a의 값들 중에서 가장 작은 값을 m이라고 두면, m=α가 되고, m이 만족하는 최고차항의 계수가 1인 정수계수 삼차다항식 중 하나는 x3+x2+4x−8임을 알 수 있다. 참고로 아래 그림은 a=m인 경우의 그림이다.
[문제 3-ⅲ]
+4점 · 원 Ca와 선분 AC의 교점이 생길 필요충분조건을 거리함수와 관련지어 설정한다.
선분 AC 위의 임의의 점을 (x,3x)로 놓자. 여기서 0≤x≤1이다. 원 Ca와 선분 AC의 교점이 생길 필요충분조건은 두 점 (x,3x)와 (a,3a2) 사이의 거리가 32이 되는 x가 0과 1 사이에 존재한다는 것이다. 두 점 (x,3x)와 (a,3a2) 사이의 거리의 제곱을 g(x)로 두면, g(x)=(x−a)2+(3x−31a2)2=4(x−4(a+a2))2+121a2(a−3)2이므로 g(x)=34가 되는 x를 닫힌 구간 [0,1]에서 찾도록 하자. a≥1이므로, 21≤4a+a2이다. 또한 4a+a2=1이 되는 a는 2−1+17이므로, 다음 두 가지 경우로 나누어서 생각해보도록 하겠다.
+6점 · a의 범위를 두 가지 경우로 나누어, 거리함수와 관련지어 설정한 부등식을 해결한다.
(경우1) 1≤a≤2−1+17: 이 경우 21≤4a+a2≤1이므로, 닫힌 구간 [0,1]에서 g(x)의 최솟값은 g(4a+a2)=121a2(a−3)2이고 최댓값은 g(0)=a2+31a4이 된다. 따라서, f2(a)≥1일 필요충분조건은 121a2(a−3)2≤34≤a2+31a4임을 알 수 있다. 여기서 121a2(a−3)2≤34를 풀면, (a2−3a+4)(a2−3a−4)=(a2−3a+4)(a+1)(a−4)≤0이고, a2−3a+4는 항상 양수 값을 가지므로 −1≤a≤4를 얻는다. 또한 34≤a2+31a4를 풀면, a4+3a2−4≥0이므로 (a2−1)(a2+4)≥0이 되어 a≥1 또는 a≤−1을 얻는다. 따라서 1≤a≤2−1+17인 모든 a에 대하여 f2(a)≥1임을 알 수 있다.(경우2) a≥2−1+17: 이 경우 4a+a2≥1이므로, 닫힌 구간 [0,1]에서 g(x)의 최솟값은 g(1)=(1−a)2+(3−31a2)2이고 최댓값은 g(0)=a2+31a4이 된다. 따라서 이 경우에, f2(a)≥1일 필요충분조건은 (1−a)2+(3−31a2)2≤34≤a2+31a4임을 알 수 있다. 여기서 (1−a)2+(3−31a2)2≤34를 풀면, a4−3a2−6a+8≤0이 되어 (a−1)(a−2)(a2+3a+4)≤0이므로, 1≤a≤2가 된다. 또한 34≤a2+31a4를 풀면, a4+3a2−4≥0이므로 (a2−1)(a2+4)≥0이 되어 a≥1 또는 a≤−1을 얻는다. 이제 a≥2−1+17임을 감안하면, 2−1+17≤a≤2임을 알 수 있다.이제 (경우1)과 (경우2)를 종합적으로 고려하면, f2(a)≥1이기 위한 a의 범위는 1≤a≤2가 됨을 알 수 있다.
[문제 3-ⅳ]
+4점 · 원 Ca와 선분 BC의 교점이 생길 필요충분조건을 거리함수와 관련지어 설정한다.
선분 BC 위의 임의의 점을 (x,3(2−x))로 놓자. 여기서 1≤x≤2이다. 원 Ca와 선분 BC의 교점이 생길 필요충분조건은 두 점 (x,3(2−x))와 (a,3a2) 사이의 거리가 32이 되는 x가 1과 2 사이에 존재한다는 것이다. 두 점 (x,3(2−x))와 (a,3a2) 사이의 거리의 제곱을 이차함수 h(x)로 두자. 그러면, h(x)는 다음과 같다.h(x)=(x−a)2+(3(2−x)−31a2)2=4(x−4(a−a2+6))2+121(a2+3a−6)2이제 h(x)=34가 되는 x를 닫힌 구간 [1,2]에서 찾도록 하자. a≥1이므로, 4a−a2+6≤23이다. 또한 4a−a2+6=1이 되는 a는 2이므로, 다음 두 가지 경우로 나누어서 생각해보도록 하겠다.
+6점 · a의 범위를 두 가지 경우로 나누어, 거리함수와 관련지어 설정한 부등식을 해결한다.
(경우1) 1≤a≤2: 이 경우 1≤4a−a2+6≤23이므로, 닫힌 구간 [1,2]에서 h(x)의 최솟값은 h(4a−a2+6)=121(a2+3a−6)2이고 최댓값은 h(2)=(2−a)2+31a4이 된다. 따라서, f3(a)≥1일 필요충분조건은 121(a2+3a−6)2≤34≤(2−a)2+31a4임을 알 수 있다. 여기서 121(a2+3a−6)2≤34를 풀면, (a2+3a−10)(a2+3a−2)=(a−2)(a+5)(a2+3a−2)≤0이고, 1≤a≤2에서 (a+5)(a2+3a−2)는 항상 양수 값을 가지므로 1≤a≤2를 얻는다. 또한 34≤(2−a)2+31a4을 풀면, [문제 3-ⅱ]의 풀이로부터 a=1 또는 a≥m임을 알 수 있다. 따라서 f3(a)≥1일 필요충분조건은 a=1 또는 m≤a≤2이 된다.(경우2) a≥2: 이 경우 4a−a2+6≤1이므로, 닫힌 구간 [1,2]에서 h(x)의 최솟값은 h(1)=3a4−a2−2a+4이고 최댓값은 h(2)=(2−a)2+31a4이 된다. 따라서, f3(a)≥1일 필요충분조건은 3a4−a2−2a+4≤34≤(2−a)2+31a4임을 알 수 있다. 여기서 3a4−a2−2a+4≤34를 풀면, a4−3a2−6a+8≤0이 되어 (a−1)(a−2)(a2+3a+4)≤0이므로, 1≤a≤2가 된다. a=2인 경우에, 34≤(2−a)2+31a4도 만족되므로, 이 경우에 a=2만이 f3(a)≥1이 된다.이제 (경우1)과 (경우2)를 종합적으로 고려하면, f3(a)≥1이기 위한 a의 범위는 a=1 또는 m≤a≤2가 된다.