수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

문제 1 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (25점)

두 함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)가 실수 a\displaystyle a에 대하여 lim⁡x→af(x)=α\displaystyle \lim_{x\to a}f(x)=\alpha, lim⁡x→ag(x)=β\displaystyle \lim_{x\to a}g(x)=\beta (단, β≠0\displaystyle \beta\ne0)를 만족하면, lim⁡x→af(x)g(x)=αβ\displaystyle \lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\frac{\alpha}{\beta}이다.【출처: 수학Ⅱ 「함수의 극한에 대한 성질」】

함수 f(x)\displaystyle f(x)는 아래의 조건을 만족하는 삼차함수이다.

(가) lim⁡x→0x3f(1x)=2\displaystyle \lim_{x\to0}x^3f\left(\frac1x\right)=2

(나) lim⁡x→af(x+5)(f(x)+8)(x+2)\displaystyle \lim_{x\to a}\frac{f(x+5)}{(f(x)+8)(x+2)}의 값이 a=−2\displaystyle a=-2일 때는 존재하고, a=5\displaystyle a=5일 때는 존재하지 않는다.

(다) 어떤 실수 k\displaystyle k에 대하여 lim⁡x→kf(x)(x−k)2\displaystyle \lim_{x\to k}\frac{f(x)}{(x-k)^2}의 값이 존재한다.

이때 f(1)\displaystyle f(1)의 값을 구하시오.

해설강의 준비중
+10점 · 주어진 조건을 이용하여 f(x)=2(x−3)2(x−m)\displaystyle f(x)=2(x-3)^2(x-m) 또는 f(x)=2(x−k)2(x−3)\displaystyle f(x)=2(x-k)^2(x-3)의 두 경우로 좁힐 수 있다.

삼차함수 f(x)\displaystyle f(x)를 f(x)=αx3+βx2+γx+δ\displaystyle f(x)=\alpha x^3+\beta x^2+\gamma x+\delta라고 하자. 조건 (가)에 의하면,lim⁡x→0x3f(1/x)=lim⁡x→0x3(αx3+βx2+γx+δ)=α=2\displaystyle \lim_{x\to0}x^3f(1/x)=\lim_{x\to0}x^3\left(\frac\alpha{x^3}+\frac\beta{x^2}+\frac\gamma{x}+\delta\right)=\alpha=2즉, 최고차항의 계수가 2임을 알 수 있다.

또한 f(x)\displaystyle f(x)는 조건 (다)에 의해 어떤 실수 k\displaystyle k에 대해 (x−k)2\displaystyle (x-k)^2를 인수로 가져야 한다. 즉, f(x)=2(x−k)2(x−m)\displaystyle f(x)=2(x-k)^2(x-m) 형태를 가진다.

조건 (나)의 첫 번째 경우로부터 lim⁡x→2f(x+5)(f(x)+8)(x−2)\displaystyle \lim_{x\to2}\frac{f(x+5)}{(f(x)+8)(x-2)}의 극한값이 존재한다. 이때 분모의 극한값이 0이므로, 분자의 극한값도 0이 되어야 한다. 즉, lim⁡x→2f(x+1)=0\displaystyle \lim_{x\to2}f(x+1)=0 인데, f(x)\displaystyle f(x)는 연속함수이므로, f(3)=0\displaystyle f(3)=0이다. 그러므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)는Correction. 예시답안에서 조건 (나)의 첫 극한을 옮긴 식은 x→−2\displaystyle x\to-2, 분모의 인수는 x+2\displaystyle x+2로 적어야 한다. 이어지는 식도 lim⁡x→−2f(x+5)=0\displaystyle \lim_{x\to-2}f(x+5)=0이다. 이로부터 얻은 f(3)=0\displaystyle f(3)=0과 최종 답은 맞다. 원문 표기는 그대로 실었다.f(x)=2(x−3)2(x−m)\displaystyle f(x)=2(x-3)^2(x-m) 또는 f(x)=2(x−k)2(x−3)\displaystyle f(x)=2(x-k)^2(x-3) --------------- (Ⅰ)이다.

+15점 · 나머지 조건을 이용하여 함수의 최종 형태 f(x)=2(x−3)2(x−6)\displaystyle f(x)=2(x-3)^2(x-6)를 찾고, 답을 알맞게 도출할 수 있다.

조건 (나)의 두 번째 경우로부터 lim⁡x→5f(x+5)(f(x)+8)(x−2)\displaystyle \lim_{x\to5}\frac{f(x+5)}{(f(x)+8)(x-2)}의 극한값이 존재하지 않는다. 이때 분모와 분자 모두 연속함수이므로, 극한이 없는 경우는 분모의 극한값은 0이어야 한다. 이때 lim⁡x→5(x−2)=3≠0\displaystyle \lim_{x\to5}(x-2)=3\ne0이므로Correction. 예시답안에서 조건 (나)의 두 번째 극한을 옮긴 식도 분모의 인수를 x+2\displaystyle x+2로 적어야 한다. 따라서 lim⁡x→5(x+2)=7≠0\displaystyle \lim_{x\to5}(x+2)=7\ne0이다. 이후의 f(5)=−8\displaystyle f(5)=-8과 최종 계산은 맞다. 원문 표기는 그대로 실었다.lim⁡x→5f(x)+8=0⇒f(5)=−8\displaystyle \lim_{x\to5}f(x)+8=0\quad\Rightarrow\quad f(5)=-8이어야 한다. 이를 (Ⅰ)의 두 경우에 대입하면,f(5)=2(5−3)2(5−m)=8⋅(5−m)=−8\displaystyle f(5)=2(5-3)^2(5-m)=8\cdot(5-m)=-8, 또는 f(5)=2(5−k)2(5−3)=4(5−k)2=−8\displaystyle f(5)=2(5-k)^2(5-3)=4(5-k)^2=-8이다. 그런데 (5−k)2≥0\displaystyle (5-k)^2\ge0이므로, 두 번째 형태는 불가능하고, 그러므로 8⋅(5−m)=−8\displaystyle 8\cdot(5-m)=-8, 곧 m=6\displaystyle m=6을 얻는다. 따라서 f(x)=2(x−3)2(x−6)\displaystyle f(x)=2(x-3)^2(x-6)이고,f(1)=2(1−3)2(1−6)=2(−2)2(−5)=−40\displaystyle f(1)=2(1-3)^2(1-6)=2(-2)^2(-5)=-40이다.

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