수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후) 1번

문제

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1다항함수 ax3f(x)\displaystyle ax^3-f(x)가 삼차 이상인 다항함수이면 조건 (가)의 극한은 발산한다.ax3f(x)\displaystyle ax^3-f(x)가 일차함수 또는 상수함수이면 조건 (가)의 극한은 0\displaystyle 0으로 수렴한다. 그러나 b0\displaystyle b\ne0이므로 이 경우 조건 (가)를 만족하지 않는다.따라서 ax3f(x)=mx2+nx+d\displaystyle ax^3-f(x)=mx^2+nx+d 또는 f(x)=ax3+mx2+nx+d\displaystyle f(x)=ax^3+mx^2+nx+d인 삼차함수가 된다.(여기서 m,n,d\displaystyle m,n,d는 임의 상수)이 경우, 조건 (가)에 의해limxax3f(x)x2=limxmx2nxdx2=limx(mnxdx2)=m=3b\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{ax^3-f(x)}{x^2}=\lim_{x\to\infty}\frac{-mx^2-nx-d}{x^2}=\lim_{x\to\infty}\left(-m-\frac nx-\frac d{x^2}\right)=-m=3b이므로 f(x)=ax33bx2+nx+d\displaystyle f(x)=ax^3-3bx^2+nx+d이다.d0\displaystyle d\ne0이면 조건 (나)의 극한은limx0f(x)x=limx0ax33bx2+nx+dx=limx0(ax23bx+n+dx)\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{f(x)}x=\lim_{x\to0}\frac{ax^3-3bx^2+nx+d}x=\lim_{x\to0}\left(ax^2-3bx+n+\frac dx\right)이 되어 발산하므로 d=0\displaystyle d=0이어야 한다. 따라서 f(x)=ax33bx2+nx\displaystyle f(x)=ax^3-3bx^2+nx이다. 이제 조건 (나)에 의해limx0f(x)x=limx0ax33bx2+nxx=limx0(ax23bx+n)=n=63a\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{f(x)}x=\lim_{x\to0}\frac{ax^3-3bx^2+nx}x=\lim_{x\to0}(ax^2-3bx+n)=n=6-3a이므로 n=63a\displaystyle n=6-3a이다.따라서 f(x)=ax33bx2+(63a)x\displaystyle f(x)=ax^3-3bx^2+(6-3a)x이다.

2먼저 f(x)=ax33bx2+(63a)x\displaystyle f(x)=ax^3-3bx^2+(6-3a)x이고 f(x)=3ax26bx+63a\displaystyle f^{\prime}(x)=3ax^2-6bx+6-3a이다.삼차함수 f(x)\displaystyle f(x)가 극값을 갖지 않을 때 이 삼차곡선은 항상 증가하거나 항상 감소한다. 함수의 증가 감소와 도함수의 부호의 관계로부터 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)0\displaystyle f^{\prime}(x)\ge0이거나, 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)0\displaystyle f^{\prime}(x)\le0이어야 한다. 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)0\displaystyle f^{\prime}(x)\ge0 또는 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)0\displaystyle f^{\prime}(x)\le0임은 f(x)=3ax26bx+63a=0\displaystyle f^{\prime}(x)=3ax^2-6bx+6-3a=0가 중근 또는 허근을 갖는다는 점과 서로 동치이므로, f(x)\displaystyle f(x)가 극값을 갖지 않으려면 이차방정식 3ax26bx+63a=0\displaystyle 3ax^2-6bx+6-3a=0의 판별식은 D0\displaystyle D\le0이어야 한다.D=(6b)24(3a)(63a)0\displaystyle D=(-6b)^2-4(3a)(6-3a)\le0즉, b2+a22a0\displaystyle b^2+a^2-2a\le0이어야 한다. 따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 극값을 가지지 않을 실수 a,b\displaystyle a,b 사이의 관계식은 b2+a22a0\displaystyle b^2+a^2-2a\le0이다. (단 전제조건인 a\displaystyle a, b\displaystyle b0\displaystyle 0이 아닌 실수라는 것은 답안 작성에서 생략가능하다)

32번에서 구한 a,b\displaystyle a,b에 대한 관계식 b2+a22a0\displaystyle b^2+a^2-2a\le0(a1)2+b21\displaystyle (a-1)^2+b^2\le1와 같으므로, 이 관계식은 ab\displaystyle ab-좌표계에서 중심이 (1,0)\displaystyle (1,0)이고 반지름이 1\displaystyle 1인 원의 경계와 내부로 이루어진 영역이다.m=b+2a+2\displaystyle m=\frac{b+2}{a+2}라고 하면 b=m(a+2)2\displaystyle b=m(a+2)-2ab\displaystyle ab-좌표계에서 점 (2,2)\displaystyle (-2,-2)를 지나고 기울기가 m\displaystyle m인 직선이다. 아래 그림과 같이 직선 m=b+2a+2\displaystyle m=\frac{b+2}{a+2}이 원 (a1)2+b2=1\displaystyle (a-1)^2+b^2=1과 접하는 경우에 영역과 만나는 이 직선의 기울기 m\displaystyle m이 최대 또는 최소가 된다.

원과 두 접선의 기울기

직선이 원과 접할 때, 원의 중심에서 이 직선까지의 거리는 원의 반지름의 길이와 같아진다.(1,0)\displaystyle (1,0)과 직선 mab+2m2=0\displaystyle ma-b+2m-2=0 사이의 거리는 (점과 직선 사이의 거리 공식)m+2m2m2+1=1  (3m2)2=m2+1  8m212m+3=0\displaystyle \frac{|m+2m-2|}{\sqrt{m^2+1}}=1\ \Leftrightarrow\ (3m-2)^2=m^2+1\ \Leftrightarrow\ 8m^2-12m+3=0이다.

m\displaystyle m에 대한 이차방정식 8m212m+3=0\displaystyle 8m^2-12m+3=0의 두 실근의 합이 구하려는 최댓값과 최솟값의 합이 된다. 이차방정식의 근과 계수의 관계로부터 구하려는 최댓값과 최솟값의 합은 128=32\displaystyle \frac{12}8=\frac32이다.

4m=b+na+n\displaystyle m=\frac{b+n}{a+n}이라 하면 b=m(a+n)n\displaystyle b=m(a+n)-n으로 ab\displaystyle ab좌표계에서 점 (n,n)\displaystyle (-n,-n)을 지나고 기울기가 m\displaystyle m인 직선이다. 이 직선이 원 (a1)2+b2=1\displaystyle (a-1)^2+b^2=1에 접할 때 기울기 m\displaystyle m이 최대 또는 최소가 된다.직선이 원과 접할 때, 원의 중심에서 이 직선까지의 거리는 원의 반지름의 길이와 같아진다. 점 (1,0)\displaystyle (1,0)과 직선 mab+nmn=0\displaystyle ma-b+nm-n=0사이의 거리는 (점과 직선 사이의 거리 공식)d=m+nmnm2+1=1(m+nmn)2=m2+1(n22n)m22(n2+n)m+n21=0\displaystyle d=\frac{|m+nm-n|}{\sqrt{m^2+1}}=1\Leftrightarrow(m+nm-n)^2=m^2+1\Leftrightarrow(n^2-2n)m^2-2(n^2+n)m+n^2-1=0Correction. 이차방정식의 계수와 An\displaystyle A_n 및 극한식의 분모에 적힌 n22n\displaystyle n^2-2nn2+2n\displaystyle n^2+2n의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이다. m\displaystyle m에 대한 이차방정식 (n22n)m22(n2+n)m+n21=0\displaystyle (n^2-2n)m^2-2(n^2+n)m+n^2-1=0의 두 실근의 합이 b+na+n\displaystyle \frac{b+n}{a+n}의 최댓값과 최솟값의 합이 된다. 이차방정식의 근과 계수의 관계로부터 b+na+n\displaystyle \frac{b+n}{a+n}의 최댓값과 최솟값의 합은 An=2(n2+n)n22n\displaystyle A_n=\frac{2(n^2+n)}{n^2-2n}이다. 이 때, 극한은limnAn=limn2(n2+n)n22n=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}A_n=\lim_{n\to\infty}\frac{2(n^2+n)}{n^2-2n}=2이다.

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