수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2-1] [10점] 다음 제시문을 읽고 질문에 답하시오.

자연수 n\displaystyle n에 대하여 곡선 y=2x\displaystyle y=\sqrt{2x} 위의 점 An\displaystyle A_n과 x\displaystyle x축 위의 점 Bn\displaystyle B_n은 다음과 같이 정의한다.(가) 점 B1\displaystyle B_1은 원점이고 B1Bn‾=12n(n−1)\displaystyle \overline{B_1B_n}=\frac12n(n-1)이다. (단, n≥2\displaystyle n\ge2이다.)(나) 점 Bn\displaystyle B_n을 지나면서 y\displaystyle y축에 평행한 직선이 곡선 y=2x\displaystyle y=\sqrt{2x}와 만나는 점이 An\displaystyle A_n이다.

삼각형 AnBnBn+1\displaystyle A_nB_nB_{n+1}의 넓이를 Sn\displaystyle S_n, 선분 BnBn+1\displaystyle B_nB_{n+1}의 길이를 ln\displaystyle l_n이라 할 때, lim⁡n→∞ln2Sn\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{l_n^2}{S_n}의 값을 구하시오. (단, n≥2\displaystyle n\ge2이다.)

[문제 2-2] [10점]정수 a,b,c\displaystyle a,b,c에 대하여 함수 f(x)=x4+ax3−bx+c\displaystyle f(x)=x^4+ax^3-bx+c가 다음 세 조건을 만족시키게 되는 상수 a,b,c,p,q,r\displaystyle a,b,c,p,q,r을 구하시오.

(가) p,q,r\displaystyle p,q,r는 −2<p<−1<q<0<r\displaystyle -2<p<-1<q<0<r을 만족하는 실수이다.(나) 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x\displaystyle x의 값이 p,q,r\displaystyle p,q,r에서 극값을 갖는다.(다) f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 서로 다른 네 실근을 갖는다.

[문제 2-3] [10점]실수 x\displaystyle x에 대하여 함수 g(x)\displaystyle g(x)를g(x)=∫−aa∣u−x∣ du\displaystyle g(x)=\int_{-a}^a|u-x|\,du라 정의하자. 연속확률변수 X\displaystyle X가 갖는 값의 범위가 −1≤X≤1\displaystyle -1\le X\le1이고 확률변수 X\displaystyle X의 확률밀도함수가 g(x)\displaystyle g(x)일 때, a3+3a\displaystyle a^3+3a의 값을 구하시오. (단, a>0\displaystyle a>0이다.)

해설강의 준비중

[문제 2-1]제시문 (가)에 의하여 점 Bn\displaystyle B_n의 x\displaystyle x좌표는 12n(n−1)\displaystyle \frac12n(n-1)이고, 점 Bn+1\displaystyle B_{n+1}의 x\displaystyle x좌표는 12(n+1)n\displaystyle \frac12(n+1)n이므로 선분 BnBn+1\displaystyle B_nB_{n+1}의 길이 ln\displaystyle l_n은ln=12(n+1)n−12n(n−1)=n\displaystyle l_n=\frac12(n+1)n-\frac12n(n-1)=n이다. 한편 점 Bn\displaystyle B_n을 지나면서 y\displaystyle y축에 평행한 직선이 곡선 y=2x\displaystyle y=\sqrt{2x}와 만나는 점이 An\displaystyle A_n이므로 점 An\displaystyle A_n의 y\displaystyle y좌표는 2×12n(n−1)=n(n−1)\displaystyle \sqrt{2\times\frac12n(n-1)}=\sqrt{n(n-1)}이고, 이 때 점 An\displaystyle A_n의 좌표는 An(12n(n−1),n(n−1))\displaystyle A_n\left(\frac12n(n-1),\sqrt{n(n-1)}\right)이다.따라서 삼각형 AnBnBn+1\displaystyle A_nB_nB_{n+1}의 넓이 Sn\displaystyle S_n는Sn=12×ln×n(n−1)=12nn(n−1)\displaystyle S_n=\frac12\times l_n\times\sqrt{n(n-1)}=\frac12n\sqrt{n(n-1)}이므로lim⁡n→∞ln2Sn=lim⁡n→∞n212nn(n−1)=2\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{l_n^2}{S_n}=\lim_{n\to\infty}\frac{n^2}{\frac12n\sqrt{n(n-1)}}=2이다.

[문제 2-2](i) 조건 (가), (나)에 의하여p,q,r\displaystyle p,q,r는 f′(x)=4x3+3ax2−b=0\displaystyle f^{\prime}(x)=4x^3+3ax^2-b=0의 근이고, −2<p<−1<q<0<r\displaystyle -2<p<-1<q<0<r이므로f′(−2)=−32+12a−b<0\displaystyle f^{\prime}(-2)=-32+12a-b<0 ⋯⋯ ㉠f′(−1)=−4+3a−b>0\displaystyle f^{\prime}(-1)=-4+3a-b>0 ⋯⋯ ㉡f′(0)=−b<0\displaystyle f^{\prime}(0)=-b<0 ⋯⋯ ㉢이다. ㉠, ㉡, ㉢에서b>0, 4b+16<12a<32+b\displaystyle b>0,\ 4b+16<12a<32+b ⋯⋯ ㉣이고, 4b+16<32+b\displaystyle 4b+16<32+b에서 0<b<163\displaystyle 0<b<\frac{16}3이다.한편 b\displaystyle b는 정수이므로 b\displaystyle b의 값은 1,2,3,4,5\displaystyle 1,2,3,4,5중의 하나가 된다.b=1\displaystyle b=1일 때 ㉣에서 20<12a<33\displaystyle 20<12a<33이고, 이 때 정수 a\displaystyle a의 값은 2\displaystyle 2가 된다.b=2,3,4,5\displaystyle b=2,3,4,5일 때 ㉣을 만족하는 정수 a\displaystyle a의 값은 없다.(ii) f′(x)=4x3+6x2−1=(2x+1)(2x2+2x−1)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=4x^3+6x^2-1=(2x+1)(2x^2+2x-1)=0의 근은 x=−12\displaystyle x=-\frac12 또는 x=−1±32\displaystyle x=\frac{-1\pm\sqrt3}2이므로 조건 (가), (나)에 의하여p=−1−32, q=−12, r=−1+32\displaystyle p=\frac{-1-\sqrt3}2,\ q=-\frac12,\ r=\frac{-1+\sqrt3}2이 된다.(iii) p,r\displaystyle p,r는 방정식 2x2+2x−1=0\displaystyle 2x^2+2x-1=0의 근이고f(x)=x4+2x3−x+c=(2x2+2x−1)(12x2+12x−14)+c−14\displaystyle f(x)=x^4+2x^3-x+c=(2x^2+2x-1)\left(\frac12x^2+\frac12x-\frac14\right)+c-\frac14이므로 극솟값 f(p)=f(r)=c−14\displaystyle f(p)=f(r)=c-\frac14이고, 극댓값 f(q)=f(−12)=c+516\displaystyle f(q)=f\left(-\frac12\right)=c+\frac5{16}이다.조건 (다)에 의하여 극솟값은 음수이고 극댓값은 양수가 된다. 즉c−14<0, c+516>0\displaystyle c-\frac14<0,\ c+\frac5{16}>0에서 −516<c<14\displaystyle -\frac5{16}<c<\frac14이고, c\displaystyle c가 정수이므로 c=0\displaystyle c=0이다. 따라서 (i), (ii), (iii)에 의하여a=2, b=1, c=0, p=−1−32, q=−12, r=−1+32\displaystyle a=2,\ b=1,\ c=0,\ p=\frac{-1-\sqrt3}2,\ q=-\frac12,\ r=\frac{-1+\sqrt3}2이다.

[문제 2-3]실수 x\displaystyle x의 범위에 따라 g(x)\displaystyle g(x)를 구하면, 다음과 같다.(i) x<−a\displaystyle x<-a일 때, g(x)=∫−aa(u−x) du=−2ax\displaystyle g(x)=\int_{-a}^a(u-x)\,du=-2ax(ii) −a≤x<a\displaystyle -a\le x<a일 때, g(x)=∫−ax(−u+x) du+∫xa(u−x) du=12(x+a)2+12(a−x)2=a2+x2\displaystyle \begin{aligned}g(x)&=\int_{-a}^x(-u+x)\,du+\int_x^a(u-x)\,du\\&=\frac12(x+a)^2+\frac12(a-x)^2=a^2+x^2\end{aligned}(iii) x≥a\displaystyle x\ge a일 때, g(x)=∫−aa(−u+x) du=2ax\displaystyle g(x)=\int_{-a}^a(-u+x)\,du=2ax(i), (ii), (iii)에 의하여 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 그래프는 다음과 같다.

절댓값의 적분으로 정의된 함수 g

한편 a≥1\displaystyle a\ge1이면∫−11g(x) dx=2∫01a2+x2 dx=2[a2x+13x3]01=2a2+23≥83\displaystyle \int_{-1}^1g(x)\,dx=2\int_0^1a^2+x^2\,dx=2\Biggl[a^2x+\frac13x^3\Biggr]_0^1=2a^2+\frac23\ge\frac83이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 닫힌 구간 [−1,1]\displaystyle [-1,1]에서 확률밀도함수가 될 수 없다. 따라서 a<1\displaystyle a<1이다.∴∫−11g(x) dx=2{∫0a(a2+x2) dx+∫a12ax dx}=2{[a2x+13x3]0a+[ax2]a1}=23a3+2a\displaystyle \begin{aligned}\therefore\int_{-1}^1g(x)\,dx&=2\left\{\int_0^a(a^2+x^2)\,dx+\int_a^12ax\,dx\right\}\\&=2\left\{\Biggl[a^2x+\frac13x^3\Biggr]_0^a+\Biggl[ax^2\Biggr]_a^1\right\}=\frac23a^3+2a\end{aligned}이다. ∫−11g(x) dx=1\displaystyle \int_{-1}^1g(x)\,dx=1이므로 23a3+2a=1\displaystyle \frac23a^3+2a=1이 되어 a3+3a=32\displaystyle a^3+3a=\frac32이다.

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