수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

수리형 2교시 1번

문제

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해설강의 준비중

[문제 1-ⅰ]

+8점 · 문제의 조건을 이용하여 주어진 점이 선분 위에 있기 위한 필요충분조건이 되는 삼차방정식을 찾을 수 있는지 평가한다. 또한, 이 삼차방정식의 계수와 사잇값 정리 등을 이용하여 삼차방정식의 특정 범위 안에서의 근을 구할 수 있는지 평가한다.

f(x)=x3+1\displaystyle f(x)=-x^{3}+1이므로, 어떤 t(0t1)\displaystyle t\,(0\le t\le1)에 대하여 〈제시문2〉의 두 점 P\displaystyle \mathrm{P}Q\displaystyle \mathrm{Q}는 각각 P(0,t)\displaystyle \mathrm{P}(0,\,t) 그리고 Q(1,f(t))\displaystyle \mathrm{Q}(1,\,f(t))이다. 따라서, 점 (13,4481)\displaystyle \left(\frac{1}{3},\frac{44}{81}\right)가 어떤 t\displaystyle t에 대하여 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ} 위에 놓이는지 찾으려면, 다음 방정식을 만족하는 어떤 t(0t1)\displaystyle t\,(0\le t\le1)가 존재하는지 찾아야 한다.4481=(t3+1t)13+t27t354t+17=(3t1)(9t2+3t17)=0\displaystyle \frac{44}{81}=(-t^{3}+1-t)\frac{1}{3}+t\Leftrightarrow27t^{3}-54t+17=(3t-1)(9t^{2}+3t-17)=09t2+3t17=0\displaystyle 9t^{2}+3t-17=0의 근은 1±696\displaystyle \frac{-1\pm\sqrt{69}}{6}이므로 0t1\displaystyle 0\le t\le1의 범위 안에 들어가지 않는다.따라서 정답은 t=13\displaystyle t=\frac{1}{3}.

[문제 1-ⅱ]

+11점 · 문제의 조건을 이용하여 주어진 점이 선분 위에 있기 위한 필요충분조건이 되는 사차방정식을 찾을 수 있는지 평가한다. 또한, 이 사차방정식에 대응되는 사차함수가 어떤 구간에서 증가하는지 미분계수를 이용하여 구할 수 있는지 평가한다. 그리고 이를 이용하여 정확한 b\displaystyle b의 범위를 구할 수 있는지 평가한다.

f(x)=x4+1\displaystyle f(x)=-x^{4}+1이므로, 점 (15,b)\displaystyle \left(\frac{1}{5},\,b\right)가 어떤 t\displaystyle t에 대하여 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ} 위에 놓이려면, 방정식b=(t4+1t)15+t5b=t4+4t+1\displaystyle b=(-t^{4}+1-t)\frac{1}{5}+t\Leftrightarrow5b=-t^{4}+4t+1을 만족하는 근이 0\displaystyle 01\displaystyle 1사이에 있어야만 한다.함수 g(x)\displaystyle g(x)g(x)=x4+4x+1\displaystyle g(x)=-x^{4}+4x+1이라 정의할 때, 어떤 t(0t1)\displaystyle t\,(0\le t\le1)g(t)=5b\displaystyle g(t)=5b를 만족시키는지 찾아야 한다. g(x)=4x3+4=4(x1)(x2+x+1)\displaystyle g^{\prime}(x)=-4x^{3}+4=-4(x-1)(x^{2}+x+1) 이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,\,1]위에서 증가함수이다. 또한, g(0)=1\displaystyle g(0)=1, g(1)=4\displaystyle g(1)=4이므로 15b415b45\displaystyle 1\le5b\le4\Leftrightarrow\frac{1}{5}\le b\le\frac{4}{5} 일 때 항상 g(t)=5b\displaystyle g(t)=5b를 만족시키는 어떤 t(0t1)\displaystyle t\,(0\le t\le1)가 존재하게 된다. 따라서 정답은 15b45\displaystyle \frac{1}{5}\le b\le\frac{4}{5}.

[문제 1-ⅲ]

+11점 · 문제의 조건을 이용하여 순서쌍 (p,q)\displaystyle (p,\,q)가 선분 위에 있기 위한 필요충분조건이 되는 부등식을 찾을 수 있는지 평가한다. 이를 이용하여 순서쌍의 개수를 정확히 찾을 수 있는지 평가한다.

(a,b)\displaystyle (a,\,b)가 한 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}위에 있기 위한 필요충분조건은 어떤 t(0t1)\displaystyle t\,(0\le t\le1)에서 다음 방정식이 성립하는 것이다.b=(f(t)t)a+t={(1a)t+a(0t12)(13a)t+2a(12t1)\displaystyle b=(f(t)-t)a+t=\begin{cases}(1-a)t+a & \left(0\le t\le\frac{1}{2}\right) \\ (1-3a)t+2a & \left(\frac{1}{2}\le t\le1\right)\end{cases}이때 a13\displaystyle a\le\frac{1}{3}a\displaystyle a에 대하여 (f(t)t)a+t\displaystyle (f(t)-t)a+t가 항상 t\displaystyle t에 대하여 감소하지 않는 함수이므로, (a,b)\displaystyle (a,\,b)가 한 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}위에 있기 위한 필요충분조건은 a=f(0)bf(1)=1a\displaystyle a=f(0)\le b\le f(1)=1-a이다. p\displaystyle p3\displaystyle 3이상일 때 1p13\displaystyle \frac{1}{p}\le\frac{1}{3}을 만족하므로, (p,q)\displaystyle (p,\,q)가 어떤 선분 위의 점이려면 1p1q11ppp1qp\displaystyle \frac{1}{p}\le\frac{1}{q}\le1-\frac{1}{p}\Leftrightarrow\frac{p}{p-1}\le q\le p를 만족해야 한다. 이를 이용하여 q\displaystyle q를 찾으면 다음과 같다.Correction. 선분 위에 놓이는 점은 (p,q)\displaystyle (p,q)가 아니라 (1/p,1/q)\displaystyle (1/p,1/q)이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.Correction. 여기서 양 끝값 a\displaystyle a1a\displaystyle 1-af(t)\displaystyle f(t)의 값이 아니라 (f(t)t)a+t\displaystyle (f(t)-t)a+tt=0\displaystyle t=0, t=1\displaystyle t=1에서의 값이다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.p=3\displaystyle p=3일 때, 서로 다른 q\displaystyle q는 존재하지 않는다.p=4\displaystyle p=4일 때, q=3\displaystyle q=3p=5\displaystyle p=5일 때, q=3,4\displaystyle q=3,4p=6\displaystyle p=6일 때, q=3,4,5\displaystyle q=3,4,5따라서 정답은 6개이다.

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