수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

주어진 3차 함수 f(x)=x3+ax2+bx+c\displaystyle f(x)=x^3+ax^2+bx+c는 다음 조건을 만족한다.

가. 모든 실수 x\displaystyle x에 대해 f(−x)=−f(x)\displaystyle f(-x)=-f(x)나. lim⁡x→2f(x)x−2=8\displaystyle \lim_{x\to2}\frac{f(x)}{x-2}=8

질문에 답하시오. [총25점]

(1) f(x)\displaystyle f(x)를 구하시오. [5점]

(2) y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=2x2+k\displaystyle y=2x^2+k가 서로 다른 두 점에서 만날 k\displaystyle k의 조건을 찾고, 이 중 k<0\displaystyle k<0인 경우에 이 두 곡선으로 둘러싸인 영역의 넓이를 구하시오. [10점]

(3) 직선 y=x\displaystyle y=x와 평행한 직선 중 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 접하는 두 직선과, 직선 y=−x\displaystyle y=-x와 평행한 직선 중 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 접하는 두 직선으로 둘러싸인 직사각형의 넓이를 구하시오. [10점]

해설강의 준비중
+5점 · (1) 아래에 제시된 단계에 따라 1등급~7등급으로 채점한다.

(1)① 모든 실수 x\displaystyle x에 대해 f(−x)=−f(x)\displaystyle f(-x)=-f(x)가 성립하므로② (−x)3+a(−x)2+b(−x)+c=−(x3+ax2+bx+c)\displaystyle (-x)^3+a(-x)^2+b(-x)+c=-(x^3+ax^2+bx+c)로부터 2ax2+2c=0\displaystyle 2ax^2+2c=0이고③ 이로부터 a=0\displaystyle a=0, c=0\displaystyle c=0이다.④ lim⁡x→2f(x)x−2=8\displaystyle \lim_{x\to2}\frac{f(x)}{x-2}=8로부터 f(2)=0\displaystyle f(2)=0이 됨을 알 수 있고 이로부터 8+2b=0\displaystyle 8+2b=0이므로 b=−4\displaystyle b=-4이다.⑤ 따라서 f(x)=x3−4x\displaystyle f(x)=x^3-4x가 된다.

+10점 · (2) 아래에 제시된 단계에 따라 1등급~7등급으로 채점한다.

(2)① y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=2x2+k\displaystyle y=2x^2+k가 서로 다른 두 점에서 만나려면 x3−4x=2x2+k\displaystyle x^3-4x=2x^2+k가 두 실근을 가지면 된다. 따라서 3차 곡선 y=x3−2x2−4x\displaystyle y=x^3-2x^2-4x의 그래프와 x\displaystyle x축에 평행한 직선 y=k\displaystyle y=k가 서로 다른 두 점에서 만나는 k\displaystyle k의 값을 구하면 된다.② g(x)=x3−2x2−4x\displaystyle g(x)=x^3-2x^2-4x라 두면 g′(x)=3x2−4x−4=(3x+2)(x−2)=0\displaystyle g^{\prime}(x)=3x^2-4x-4=(3x+2)(x-2)=0으로부터 x=−23\displaystyle x=-\frac23 또는 x=2\displaystyle x=2에서 극값을 갖고③ g(−23)=4027\displaystyle g\left(-\frac23\right)=\frac{40}{27}, g(2)=−8\displaystyle g(2)=-8이므로 k=4027\displaystyle k=\frac{40}{27} 또는 k=−8\displaystyle k=-8이면 서로 다른 두 점에서 만난다.④ k=−8\displaystyle k=-8인 경우 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=2x2−8\displaystyle y=2x^2-8은 x=−2\displaystyle x=-2와 x=2\displaystyle x=2에서 만나고 그래프는

삼차함수와 이차함수로 둘러싸인 영역

가 되므로⑤ 두 곡선으로 둘러싸인 영역의 넓이는 ∫−22(x3−4x−(2x2−8))dx=643\displaystyle \int_{-2}^2(x^3-4x-(2x^2-8))dx=\frac{64}3이다.

+10점 · (3) 아래에 제시된 단계에 따라 1등급~7등급으로 채점한다.

(3)① f′(x)=3x2−4\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-4로부터 f′(x)=1\displaystyle f^{\prime}(x)=1을 만족하는 값은 x=±53\displaystyle x=\pm\sqrt{\frac53}이고 f′(x)=−1\displaystyle f^{\prime}(x)=-1을 만족하는 값은 x=±1\displaystyle x=\pm1이다.② 따라서 기울기가 1인 직선 중 이 곡선에 접하는 직선의 방정식은 y=x±10159\displaystyle y=x\pm\frac{10\sqrt{15}}9이고,③ 이 두 직선의 x\displaystyle x절편 사이의 거리에 삼각함수를 적용하면 직사각형의 두 변 중 기울기가 -1인 직선위에 놓여있는 변의 길이는 (10159−−10159)×sin⁡(π4)\displaystyle \left(\frac{10\sqrt{15}}9-\frac{-10\sqrt{15}}9\right)\times\sin\left(\frac\pi4\right)이다.④ 같은 방법으로 기울기가 -1인 직선 중 이 곡선에 접하는 직선의 방정식은 y=−x±2\displaystyle y=-x\pm2이고, 이로부터 직사각형의 두 변 중 기울기가 1인 직선위에 놓여있는 변의 길이는 (2−(−2))×sin⁡(π4)\displaystyle (2-(-2))\times\sin\left(\frac\pi4\right)이다.⑤ 따라서 주어진 직사각형의 면적은 2×2sin⁡(π4)×2×10159sin⁡(π4)=40159\displaystyle 2\times2\sin\left(\frac\pi4\right)\times2\times\frac{10\sqrt{15}}9\sin\left(\frac\pi4\right)=\frac{40\sqrt{15}}9이다.(③~④ 단계에서 삼각형의 면적을 구하는 여러 가지 방법을 이용해 원점에서 4개의 접선까지의 거리를 계산해도 된다.)

네 접선으로 둘러싸인 직사각형
소문항등급채점 기준
(1)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(1)2등급④까지 맞게 구하고 최종 답이 틀린 경우
(1)3등급②~④단계에서 옳게 접근했으나 실수가 1개인 경우
(1)4등급②~④단계에서 옳게 접근했으나 계산 실수가 2개인 경우
(1)5등급②~③단계 또는 ④단계의 접근 중 하나를 옳게 시도한 경우
(1)6등급문제를 푸는 과정이 전혀 틀린 경우
(1)7등급백지 답안
(2)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(2)2등급⑤단계까지 옳게 접근하였으나 ④~⑤단계에서 실수한 경우
(2)3등급③단계까지 옳게 서술한 경우
(2)4등급①~③단계를 이해하고 있으나 실수가 있는 경우
(2)5등급①단계를 이해하고 옳게 서술한 경우
(2)6등급문제를 푸는 과정이 전혀 틀린 경우
(2)7등급백지 답안
(3)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(3)2등급④단계까지 옳게 서술하고 ⑤의 면적 계산에서 실수한 경우
(3)3등급②~④단계에서 옳게 접근했으나 실수가 1개인 경우
(3)4등급②~④단계에서 옳게 접근했으나 계산 실수가 2개인 경우
(3)5등급①단계를 옳게 서술한 경우
(3)6등급문제를 푸는 과정이 전혀 틀린 경우
(3)7등급백지 답안

* 각 문제에 대하여 아래에 제시된 예시답안과 같이 단계에 따라 1등급~7등급으로 채점한다.이후 등급을 해당 문제의 점수로 환산하여 총점을 계산한다.

* 도출 과정이 옳으나 계산 결과가 정확히 일치하지 않으면 1등급을 감점한다.

* 답안을 서술하면서 식만 나열하고, 논리적인 설명이 없으면 1등급을 감점한다.

* 백지답안은 7등급을 부여한다.

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