수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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+10점 · 함수의 연속 조건을 이용하여 a\displaystyle ac\displaystyle cb\displaystyle b에 대한 식으로 나타낼 수 있다.

(1) 함수 f(x)g(x)\displaystyle f(x)g(x)g(f(x))\displaystyle g(f(x))x1\displaystyle x\ne-1일 때 항상 연속이다.f(x)g(x)\displaystyle f(x)g(x)x=1\displaystyle x=-1에서 연속이기 위해서는 limx1f(x)g(x)=limx1+f(x)g(x)\displaystyle \lim_{x\to-1-}f(x)g(x)=\lim_{x\to-1+}f(x)g(x)여야 한다.limx1f(x)g(x)=(1a+c),limx1+f(x)g(x)=2(1a+c)\displaystyle \lim_{x\to-1-}f(x)g(x)=-(1-a+c),\quad\lim_{x\to-1+}f(x)g(x)=2(1-a+c)이므로 1a+c=0\displaystyle 1-a+c=0이다.g(f(x))\displaystyle g(f(x))x=1\displaystyle x=-1에서 연속이기 위해서는 limx1g(f(x))=limx1+g(f(x))\displaystyle \lim_{x\to-1-}g(f(x))=\lim_{x\to-1+}g(f(x)), 즉 g(1)=g(2)\displaystyle g(-1)=g(2)이어야 하므로 1a=4+2b\displaystyle 1-a=4+2b, 즉 a=2b3\displaystyle a=-2b-3이다.1a+c=0\displaystyle 1-a+c=0이므로 c=2b4\displaystyle c=-2b-4이다.

+15점 · 함수 f(g(x)+3)\displaystyle f(g(x)+3)가 연속임을 이용하여 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 최솟값에 대한 조건 및 b\displaystyle b의 범위를 구할 수 있다.

(2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=1\displaystyle x=-1에서 연속이 아니므로, f(g(x)+3)\displaystyle f(g(x)+3)이 연속이기 위해서는 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 g(x)+3<1\displaystyle g(x)+3<-1이거나 g(x)+31\displaystyle g(x)+3\ge-1이어야 한다. 그런데 limx=±g(x)=\displaystyle \lim_{x=\pm\infty}g(x)=\infty이므로 g(x)+3<1\displaystyle g(x)+3<-1일 수는 없다.Correction. 극한 기호 아래의 x=±\displaystyle x=\pm\inftyx±\displaystyle x\to\pm\infty로 적어야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 g(x)+31\displaystyle g(x)+3\ge-1, 즉 g(x)4\displaystyle g(x)\ge-4이어야 한다.문항 (1)로부터 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.g(x)={x2(2b+3)x(2b+4)(x<0)x2+bx(2b+4)(x0)\displaystyle g(x)=\begin{cases}x^2-(2b+3)x-(2b+4)&(x<0)\\x^2+bx-(2b+4)&(x\ge0)\end{cases}정의역이 x0\displaystyle x\le0인 함수 g(x)=x2(2b+3)x(2b+4)\displaystyle g_-(x)=x^2-(2b+3)x-(2b+4)와, 정의역이 x0\displaystyle x\ge0인 함수 g+(x)=x2+bx(2b+4)\displaystyle g_+(x)=x^2+bx-(2b+4)를 생각하자.(a) 함수 g(x)\displaystyle g_-(x)x<0\displaystyle x<0에서 최솟값을 갖는 경우g(x)\displaystyle g_-(x)의 꼭짓점의 x\displaystyle x좌표 b+32\displaystyle b+\frac320\displaystyle 0보다 작으므로 b<32\displaystyle b<-\frac32이고, 함수 g(x)\displaystyle g_-(x)x=b+32\displaystyle x=b+\frac32일 때 최솟값을 갖는다. 또한 함수 g+(x)\displaystyle g_+(x)x=b2\displaystyle x=-\frac b2에서 최솟값을 갖는다.따라서 g(x)4\displaystyle g(x)\ge-4이기 위해서는g(b+32)=b25b2544  92b12,\displaystyle g_-\left(b+\frac32\right)=-b^2-5b-\frac{25}4\ge-4\ \Rightarrow\ -\frac92\le b\le-\frac12,g+(b2)=b242b44  8b0\displaystyle g_+\left(-\frac b2\right)=-\frac{b^2}4-2b-4\ge-4\ \Rightarrow\ -8\le b\le0이어야 한다.종합하면 b<32\displaystyle b<-\frac32, 92b12\displaystyle -\frac92\le b\le-\frac12, 8b0\displaystyle -8\le b\le0이 동시에 성립해야 한다.따라서 함수 g(x)\displaystyle g_-(x)x<0\displaystyle x<0에서 최솟값을 갖는 경우 주어진 조건을 만족시키는 b\displaystyle b의 범위는 92b<32\displaystyle -\frac92\le b<-\frac32이다.(b) 함수 g(x)\displaystyle g_-(x)x=0\displaystyle x=0에서 최솟값을 갖는 경우g(x)\displaystyle g_-(x)의 꼭짓점의 x\displaystyle x좌표 b+32\displaystyle b+\frac320\displaystyle 0보다 크거나 같으므로 b32\displaystyle b\ge-\frac32이다.i) b>0\displaystyle b>0일 경우 함수 g+(x)\displaystyle g_+(x) 역시 x=0\displaystyle x=0에서 최솟값을 갖는다.이때 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 최솟값은 2b4\displaystyle -2b-4이며, 이 값이 4\displaystyle -4보다 크거나 같을 조건은 b0\displaystyle b\le0이므로 주어진 조건을 만족시키는 b\displaystyle b는 존재하지 않는다.ii) 32b0\displaystyle -\frac32\le b\le0일 경우 함수 g+(x)\displaystyle g_+(x)x=b2\displaystyle x=-\frac b2에서 최솟값을 가지고, g+(b2)4\displaystyle g_+\left(-\frac b2\right)\ge-4일 조건은 8b0\displaystyle -8\le b\le0이다.따라서 함수 g(x)\displaystyle g_-(x)x=0\displaystyle x=0에서 최솟값을 갖는 경우 주어진 조건을 만족시키는 b\displaystyle b의 범위는 32b0\displaystyle -\frac32\le b\le0이다.(a), (b)로부터 92b<32\displaystyle -\frac92\le b<-\frac32 또는 32b0\displaystyle -\frac32\le b\le0이므로, 구하는 실수 b\displaystyle b의 범위는 92b0\displaystyle -\frac92\le b\le0이다.

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