수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

【문제 2】 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (25점)

함수 f(x)\displaystyle f(x)의 x=a\displaystyle x=a에서의 미분계수 f′(a)\displaystyle f^{\prime}(a)는 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))에서의 접선의 기울기와 같다.[출처 : 수학II 「미분계수와 도함수」]

구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음과 같이 정의되어 있다. (단, a,b,c,d\displaystyle a,b,c,d는 실수이고 a≠0\displaystyle a\ne0)f(x)={x2−1(0<x<2)ax3+bx2+cx+d(x≥2)\displaystyle f(x)=\begin{cases}x^2-1&(0<x<2)\\ax^3+bx^2+cx+d&(x\ge2)\end{cases}함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프는 x\displaystyle x축과 서로 다른 두 점에서 만나고, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=5\displaystyle x=5에서 극솟값을 가진다.이때 다음 문항에 답하시오.

(1) 실수 a,b,c,d\displaystyle a,b,c,d의 값을 구하시오.

(2) 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (x,f(x))\displaystyle (x,f(x))에서의 접선과 수직이면서 점 (x,f(x))\displaystyle (x,f(x))를 지나는 직선의 x\displaystyle x절편의 최솟값을 구하시오. (단, 0<x<83\displaystyle 0<x<\frac83)

해설강의 준비중
+10점 · 미분 가능한 함수의 성질과 함수의 극값 성질을 이용하여 주어진 조건으로부터 삼차함수를 구할 수 있다.

(1) 0<x<2\displaystyle 0<x<2 범위에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x\displaystyle x축과 한 점 (1,0)\displaystyle (1,0)에서 만나므로 x≥2\displaystyle x\ge2 범위에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x\displaystyle x축과 오직 한 점에서만 만나야 한다. 따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=5\displaystyle x=5에서 x\displaystyle x축과 접하면서 극솟값을 가져야 한다. 이를 고려하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 다시 표현하면 아래와 같다.f(x)={x2−1(0<x<2)α(x−β)(x−5)2(x≥2)\displaystyle f(x)=\begin{cases}x^2-1&(0<x<2)\\\alpha(x-\beta)(x-5)^2&(x\ge2)\end{cases}주어진 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 (0,2)\displaystyle (0,2)와 (2,∞)\displaystyle (2,\infty)에서 미분가능하다. 그러므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 (0,∞)\displaystyle (0,\infty)에서 미분가능하기 위해서는 x=2\displaystyle x=2에서 미분가능하면 된다.f′(2)=α(2−5)(3×2−2β−5)=4⋯⋯ ㉠\displaystyle f^{\prime}(2)=\alpha(2-5)(3\times2-2\beta-5)=4\quad\cdots\cdots\ \text{㉠}한편 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=2\displaystyle x=2에서 미분가능하면 x=2\displaystyle x=2에서 연속이어야 하므로,f(2)=α(2−β)(2−5)2=3⋯⋯ ㉡\displaystyle f(2)=\alpha(2-\beta)(2-5)^2=3\quad\cdots\cdots\ \text{㉡}이다.식 ㉠, ㉡을 동시에 만족시키는 상수는 α=23\displaystyle \alpha=\frac23, β=32\displaystyle \beta=\frac32이다.따라서 x≥2\displaystyle x\ge2에서 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 아래와 같다.f(x)=23(x−32)(x−5)2=23x3−233x2+803x−25\displaystyle \begin{aligned}f(x)&=\frac23\left(x-\frac32\right)(x-5)^2\\&=\frac23x^3-\frac{23}3x^2+\frac{80}3x-25\end{aligned}따라서 a=23\displaystyle a=\frac23, b=−233\displaystyle b=-\frac{23}3, c=803\displaystyle c=\frac{80}3, d=−25\displaystyle d=-25이다.

+15점 · 주어진 조건으로부터 함수의 접선의 성질을 이용하여 x\displaystyle x절편의 값을 구할 수 있다.

(2) x≥2\displaystyle x\ge2에서 f′(x)=23(x−5)2+43(x−32)(x−5)=23(x−5)(3x−8)\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac23(x-5)^2+\frac43\left(x-\frac32\right)(x-5)=\frac23(x-5)(3x-8)이므로 x=83\displaystyle x=\frac83에서 극댓값, x=5\displaystyle x=5에서 극솟값을 갖는다. 주어진 구간 (0,83)\displaystyle \left(0,\frac83\right)은 0에서부터 3차함수의 극댓값까지이다.따라서 점 (x,f(x))\displaystyle (x,f(x))에서의 접선과 수직이면서 점 (x,f(x))\displaystyle (x,f(x))를 지나는 직선의 x\displaystyle x절편의 최솟값은 이차함수 구간인 0<x<2\displaystyle 0<x<2 사이에 존재한다.0<x<2\displaystyle 0<x<2 구간에서 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))에서의 접선의 기울기는 f′(t)\displaystyle f^{\prime}(t)이고f′(t)=2t(0<t<2)\displaystyle f^{\prime}(t)=2t\quad(0<t<2)곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))에서의 접선과 수직이면서 점 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))를 지나는 직선의 방정식은 다음과 같다.y=−12t(x−t)+t2−1(0<t<2)\displaystyle y=-\frac1{2t}(x-t)+t^2-1\quad(0<t<2)위 직선의 x\displaystyle x절편을 g(t)\displaystyle g(t)라고 하면 g(t)\displaystyle g(t)는 각각 다음과 같다.g(t)=2t3−t(0<t<2)\displaystyle g(t)=2t^3-t\quad(0<t<2)g′(t)=6t2−1\displaystyle g^{\prime}(t)=6t^2-1의 부호를 조사하여 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

tt0⋯16\frac1{\sqrt6}⋯
g′(t)g^{\prime}(t) −0+
g(t)g(t) ↘−236-\frac2{3\sqrt6}↗

따라서 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값은 g(16)=−236\displaystyle g\left(\frac1{\sqrt6}\right)=-\frac2{3\sqrt6}이다.

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