수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 1번

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문제

아래 논제에 답하시오. (25점)

다음 네 조건을 만족시키는 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 개수를 구하고, 그 함수를 모두 찾으시오.

(i) f(x)=x3+ax2+bx+c\displaystyle f(x)=x^3+ax^2+bx+c (단, a\displaystyle a, b\displaystyle b, c\displaystyle c는 실수)(ii) 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 x\displaystyle x축은 서로 다른 세 점 A(2−5,0)\displaystyle \mathrm A(2-\sqrt5,0), B(2+5,0)\displaystyle \mathrm B(2+\sqrt5,0), C(γ,0)\displaystyle \mathrm C(\gamma,0)에서 만난다.(iii) 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 변곡점 P\displaystyle \mathrm P의 x\displaystyle x좌표는 양의 정수이다.(iv) 원점 O\displaystyle \mathrm O에 대하여 삼각형 OPB\displaystyle \mathrm{OPB}와 삼각형 OPC\displaystyle \mathrm{OPC}는 모두 예각삼각형이다. (단, 예각삼각형은 모든 각의 크기가 π2\displaystyle \frac\pi2보다 작은 삼각형이다.)

해설강의 준비중
+25점 · 변곡점의 정의를 이용하여 변곡점의 좌표와 그래프가 x\displaystyle x축과 만나는 점을 구하고 이로부터 삼각형의 변의 길이를 구하여 예각삼각형이 될 조건을 판별하고 이로부터 문제의 조건을 만족시키는 함수를 찾을 수 있다.

방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0의 해를 α=2−5\displaystyle \alpha=2-\sqrt5, β=2+5\displaystyle \beta=2+\sqrt5, γ\displaystyle \gamma라 하면 f(x)\displaystyle f(x)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.f(x)=(x−α)(x−β)(x−γ)=x3−(α+β+γ)x2+(αβ+βγ+γα)x−αβγ\displaystyle f(x)=(x-\alpha)(x-\beta)(x-\gamma)=x^3-(\alpha+\beta+\gamma)x^2+(\alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha)x-\alpha\beta\gamma변곡점 P\displaystyle \mathrm P를 찾기 위하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 이계도함수를 구하면 다음과 같다.f′(x)=3x2−2(α+β+γ)x+αβ+βγ+γα⇒f′′(x)=6x−2(α+β+γ)\displaystyle \begin{aligned}&f^{\prime}(x)=3x^2-2(\alpha+\beta+\gamma)x+\alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha\\&\Rightarrow f^{\prime\prime}(x)=6x-2(\alpha+\beta+\gamma)\end{aligned}그러므로 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 변곡점의 x\displaystyle x좌표를 p\displaystyle p라고 하면, p=α+β+γ3=4+γ3\displaystyle p=\frac{\alpha+\beta+\gamma}3=\frac{4+\gamma}3이다. 조건 (iii)에 의하여 p=4+γ3\displaystyle p=\frac{4+\gamma}3가 양의 정수여야 한다.1) p=1\displaystyle p=1일 때 γ=−1\displaystyle \gamma=-1이다. 이때 f(x)=(x−2+5)(x−2−5)(x+1)\displaystyle f(x)=(x-2+\sqrt5)(x-2-\sqrt5)(x+1)이므로 점 P\displaystyle \mathrm P의 좌표는 (1,−8)\displaystyle (1,-8)이고 점 C\displaystyle \mathrm C의 좌표는 (−1,0)\displaystyle (-1,0)이다. 점 P\displaystyle \mathrm P의 x\displaystyle x좌표가 원점과 점 C\displaystyle \mathrm C의 x\displaystyle x좌표보다 크므로 각 COP\displaystyle \mathrm{COP}는 π2\displaystyle \frac\pi2보다 크게 되어 △OCP\displaystyle \triangle\mathrm{OCP}는 둔각삼각형이 된다.따라서 f(x)=(x−2+5)(x−2−5)(x+1)\displaystyle f(x)=(x-2+\sqrt5)(x-2-\sqrt5)(x+1)는 조건 (iv)를 만족시키지 못한다.2) p=2\displaystyle p=2일 때 γ=2\displaystyle \gamma=2이다. 이때 f(x)=(x−2+5)(x−2−5)(x−2)\displaystyle f(x)=(x-2+\sqrt5)(x-2-\sqrt5)(x-2)이므로 점 P\displaystyle \mathrm P의 좌표는 (2,0)\displaystyle (2,0)이고 점 C\displaystyle \mathrm C의 좌표는 (2,0)\displaystyle (2,0)이다. 따라서 점 O\displaystyle \mathrm O, 점 P\displaystyle \mathrm P, 점 B\displaystyle \mathrm B, 점 C\displaystyle \mathrm C는 모두 x\displaystyle x축 위에 있으므로 예각삼각형을 이루지 못한다.3) p=3\displaystyle p=3일 때 γ=5\displaystyle \gamma=5이다. 이때 f(x)=(x−2+5)(x−2−5)(x−5)\displaystyle f(x)=(x-2+\sqrt5)(x-2-\sqrt5)(x-5)이므로 점 P\displaystyle \mathrm P의 좌표는 (3,8)\displaystyle (3,8)이고 점 C\displaystyle \mathrm C의 좌표는 (5,0)\displaystyle (5,0)이다.△POC\displaystyle \triangle\mathrm{POC}의 변의 길이의 제곱은 각각 다음과 같다.OP‾2=32+82=73PC‾2=22+82=68OC‾2=52=25\displaystyle \begin{aligned}\overline{\mathrm{OP}}^2&=3^2+8^2=73\\\overline{\mathrm{PC}}^2&=2^2+8^2=68\\\overline{\mathrm{OC}}^2&=5^2=25\end{aligned}이때 가장 긴 변의 길이는 OP‾\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}이고 OP‾2<PC‾2+OC‾2\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}^2<\overline{\mathrm{PC}}^2+\overline{\mathrm{OC}}^2이므로 △POC\displaystyle \triangle\mathrm{POC}는 예각삼각형이다.각 OPB\displaystyle \mathrm{OPB}는 각 OPC\displaystyle \mathrm{OPC}보다 작고, 점 P\displaystyle \mathrm P의 x\displaystyle x좌표가 원점의 x\displaystyle x좌표보다 크고 점 B\displaystyle \mathrm B의 x\displaystyle x좌표 2+5\displaystyle 2+\sqrt5보다 작으므로 △OPB\displaystyle \triangle\mathrm{OPB}는 예각삼각형이다.따라서 f(x)=(x−2+5)(x−2−5)(x−5)\displaystyle f(x)=(x-2+\sqrt5)(x-2-\sqrt5)(x-5)는 조건 (iv)를 만족시킨다.4) p=4\displaystyle p=4일 때 γ=8\displaystyle \gamma=8이다. 이때 f(x)=(x−2+5)(x−2−5)(x−8)\displaystyle f(x)=(x-2+\sqrt5)(x-2-\sqrt5)(x-8)이므로 점 P\displaystyle \mathrm P의 좌표는 (4,4)\displaystyle (4,4)이고 점 C\displaystyle \mathrm C의 좌표는 (8,0)\displaystyle (8,0)이다.△OPC\displaystyle \triangle\mathrm{OPC}의 변의 길이의 제곱은 각각 다음과 같다.OP‾2=42+42=32PC‾2=42+42=32OC‾2=82=64\displaystyle \begin{aligned}\overline{\mathrm{OP}}^2&=4^2+4^2=32\\\overline{\mathrm{PC}}^2&=4^2+4^2=32\\\overline{\mathrm{OC}}^2&=8^2=64\end{aligned}이때 가장 긴 변의 길이는 OC‾\displaystyle \overline{\mathrm{OC}}이고 OC‾2=PC‾2+OP‾2\displaystyle \overline{\mathrm{OC}}^2=\overline{\mathrm{PC}}^2+\overline{\mathrm{OP}}^2이므로 △POC\displaystyle \triangle\mathrm{POC}는 직각삼각형이다.따라서 f(x)=(x−2+5)(x−2−5)(x−8)\displaystyle f(x)=(x-2+\sqrt5)(x-2-\sqrt5)(x-8)는 조건 (iv)를 만족시키지 못한다.5) p≥5\displaystyle p\ge5이면 점 P\displaystyle \mathrm P의 x\displaystyle x좌표가 원점과 점 B\displaystyle \mathrm B의 x\displaystyle x좌표보다 크다. 따라서 각 OBP\displaystyle \mathrm{OBP}는 π2\displaystyle \frac\pi2보다 크게 되어 △OBP\displaystyle \triangle\mathrm{OBP}는 둔각삼각형이 된다. 이 경우 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 조건 (iv)를 만족시키지 못한다.1)-5)로부터 문제의 조건을 모두 만족하는 삼차함수 f(x)\displaystyle f(x)는 1개이고 이때 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 다음과 같다.f(x)=(x−2+5)(x−2−5)(x−5)=(x2−4x−1)(x−5)=x3−9x2+19x+5\displaystyle f(x)=(x-2+\sqrt5)(x-2-\sqrt5)(x-5)=(x^2-4x-1)(x-5)=x^3-9x^2+19x+5

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