수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후) 3번

문제

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문제 3-1y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (2,f(2))\displaystyle (2,f(2))에서 접선의 방정식은 yf(2)=f(2)(x2)\displaystyle y-f(2)=f^{\prime}(2)(x-2)이다.조건 (가)에서 1x=t\displaystyle \frac1x=t로 놓으면 x0+\displaystyle x\to0+일 때, t\displaystyle t\to\infty이므로limx0+{x2f(1x)4}=limt{f(t)t24}=0\displaystyle \lim_{x\to0+}\{x^2f(\frac1x)-4\}=\lim_{t\to\infty}\{\frac{f(t)}{t^2}-4\}=0에서 limtf(t)t2=4\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{f(t)}{t^2}=4이다. limxf(x)x2=4\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{f(x)}{x^2}=4이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 이차항의 계수가 4\displaystyle 4인 이차함수이다. ⋯⋯㉠조건 (나)에서 (제시문1)을 이용하면 limx1(x1)=0\displaystyle \lim_{x\to1}(x-1)=0이므로 limx1f(x)=f(1)=0\displaystyle \lim_{x\to1}f(x)=f(1)=0 ⋯⋯㉡㉠, ㉡에 의하여 f(x)=4(x1)(xk)\displaystyle f(x)=4(x-1)(x-k) (k\displaystyle k는 상수)라 하면limx1f(x)x1=limx14(x1)(xk)x1=limx14(xk)=4(1k)=12\displaystyle \lim_{x\to1}\frac{f(x)}{x-1}=\lim_{x\to1}\frac{4(x-1)(x-k)}{x-1}=\lim_{x\to1}4(x-k)=4(1-k)=12에서 k=2\displaystyle k=-2이다. 따라서 f(x)=4(x1)(x+2)=4(x2+x2)\displaystyle f(x)=4(x-1)(x+2)=4(x^2+x-2)이고 f(x)=8x+4\displaystyle f^{\prime}(x)=8x+4이다.f(2)=16,f(2)=20\displaystyle f(2)=16,f^{\prime}(2)=20이므로 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (2,16)\displaystyle (2,16)에서의 접선의 방정식은y=20(x2)+16, y=20x24\displaystyle y=20(x-2)+16,\ y=20x-24

문제 3-2최고차항의 계수가 1\displaystyle 1인 삼차함수를 g(x)=x3+ax2+bx+c\displaystyle g(x)=x^3+ax^2+bx+c (단, a,b,c\displaystyle a,b,c는 상수)라 하면 g(0)=0\displaystyle g(0)=0에서 c=0\displaystyle c=0이므로 g(x)=x3+ax2+bx\displaystyle g(x)=x^3+ax^2+bx이고 g(x)=3x2+2ax+b\displaystyle g^{\prime}(x)=3x^2+2ax+b이다. 조건 (나)에서g(1)g(1)11=g(1)\displaystyle \frac{g(-1)-g(1)}{-1-1}=g^{\prime}(-1)1+ab(1+a+b)2=32a+b, 1+b=32a+b\displaystyle \frac{-1+a-b-(1+a+b)}{-2}=3-2a+b,\ 1+b=3-2a+b이므로 a=1\displaystyle a=1.조건 (다)에서 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 직선 y=k\displaystyle y=k가 두 점에서 만나는 k\displaystyle k의 최댓값이 g(173)\displaystyle g(\frac{-1-\sqrt7}3)이므로 그림과 같이 직선 y=k\displaystyle y=k는 함수 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 극대가 되는 점을 지나야 한다.

g의 극대점에서 만나는 수평선

실수 k\displaystyle k의 최댓값이 g(173)\displaystyle g(\frac{-1-\sqrt7}3)이므로 방정식 g(x)=g(173)\displaystyle g(x)=g(\frac{-1-\sqrt7}3)의 서로 다른 두 실근을 α,β (α<β)\displaystyle \alpha,\beta\ (\alpha<\beta)라 하면 g(α)=g(β)=g(173)\displaystyle g(\alpha)=g(\beta)=g(\frac{-1-\sqrt7}3)이다.

직선 y=k와 곡선 g의 두 교점

따라서 173\displaystyle \frac{-1-\sqrt7}3α\displaystyle \alpha 또는 β\displaystyle \beta이다. 한편 g(x)\displaystyle g(x)는 최고차항의 계수가 양수이므로 y=g(x)\displaystyle y=g(x)x=α\displaystyle x=\alpha에서 극댓값을 갖는다. 이때g(x)=3x2+2x+b=3(x+13)2+b13\displaystyle g^{\prime}(x)=3x^2+2x+b=3(x+\frac13)^2+b-\frac13이므로 α<13<β\displaystyle \alpha<-\frac13<\beta이다. 즉α=173, g(173)=0\displaystyle \alpha=\frac{-1-\sqrt7}3,\ g^{\prime}(\frac{-1-\sqrt7}3)=0g(173)=3×(73)2+b13=0\displaystyle g^{\prime}(\frac{-1-\sqrt7}3)=3\times(-\frac{\sqrt7}3)^2+b-\frac13=0에서 b=2\displaystyle b=-2. 따라서 g(x)=x3+x22x\displaystyle g(x)=x^3+x^2-2x

삼차함수 g의 그래프

문제 3-3(1) 함수 h(x)\displaystyle h(x)h(x)=f(x)+g(x)f(x)g(x)2={g(x)(f(x)g(x))f(x)(f(x)<g(x))\displaystyle h(x)=\frac{f(x)+g(x)-|f(x)-g(x)|}2=\begin{cases}g(x)&(f(x)\ge g(x))\\f(x)&(f(x)<g(x))\end{cases}(문제 3-1)과 (문제 3-2)에서f(x)=4(x2+x2)=4(x1)(x+2),g(x)=x3+x22x=x(x1)(x+2)\displaystyle f(x)=4(x^2+x-2)=4(x-1)(x+2),\quad g(x)=x^3+x^2-2x=x(x-1)(x+2)이므로f(x)g(x)=4(x1)(x+2)x(x1)(x+2)=(x1)(x+2)(x4)\displaystyle \begin{aligned}f(x)-g(x)&=4(x-1)(x+2)-x(x-1)(x+2)\\&=-(x-1)(x+2)(x-4)\end{aligned}방정식 f(x)g(x)=0\displaystyle f(x)-g(x)=0의 근은 x=2\displaystyle x=-2 또는 x=1\displaystyle x=1 또는 x=4\displaystyle x=4이다. 따라서h(x)={x3+x22x(x<2)4(x2+x2)(2x<1)x3+x22x(1x<4)4(x2+x2)(x4)\displaystyle h(x)=\begin{cases}x^3+x^2-2x&(x<-2)\\4(x^2+x-2)&(-2\le x<1)\\x^3+x^2-2x&(1\le x<4)\\4(x^2+x-2)&(x\ge4)\end{cases}

f와 g의 차 및 h의 그래프

(2) (제시문 2)에 의하여 limnk=1n3nh(2+3kn)=25h(x)dx\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac3nh(2+\frac{3k}n)=\int_2^5h(x)\,dx이다.h(x)={x3+x22x(x<2)4(x2+x2)(2x<1)x3+x22x(1x<4)4(x2+x2)(x4)\displaystyle h(x)=\begin{cases}x^3+x^2-2x&(x<-2)\\4(x^2+x-2)&(-2\le x<1)\\x^3+x^2-2x&(1\le x<4)\\4(x^2+x-2)&(x\ge4)\end{cases}이므로limnk=1n3nh(2+3kn)=25h(x)dx=24g(x)dx+45f(x)dx=24(x3+x22x)dx+454(x2+x2)dx=[14x4+13x3x2]24+4[13x3+12x22x]45=48+563+4(613+52)=158\displaystyle \begin{aligned}\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac3nh(2+\frac{3k}n)&=\int_2^5h(x)\,dx\\&=\int_2^4g(x)\,dx+\int_4^5f(x)\,dx\\&=\int_2^4(x^3+x^2-2x)\,dx+\int_4^54(x^2+x-2)\,dx\\&=\Biggl[\frac14x^4+\frac13x^3-x^2\Biggr]_2^4+4\Biggl[\frac13x^3+\frac12x^2-2x\Biggr]_4^5\\&=48+\frac{56}3+4(\frac{61}3+\frac52)=158\end{aligned}

(3) 함수 h(x)\displaystyle h(x)에 대하여 h(x)\displaystyle h^{\prime}(x)h(x)={x3+x22x(x<2)4(x2+x2)(2x<1)x3+x22x(1x<4)4(x2+x2)(x4),h(x)={3x2+2x2(x<2)8x+4(2<x<1)3x2+2x2(1<x<4)8x+4(x>4)\displaystyle h(x)=\begin{cases}x^3+x^2-2x&(x<-2)\\4(x^2+x-2)&(-2\le x<1)\\x^3+x^2-2x&(1\le x<4)\\4(x^2+x-2)&(x\ge4)\end{cases},\quad h^{\prime}(x)=\begin{cases}3x^2+2x-2&(x<-2)\\8x+4&(-2<x<1)\\3x^2+2x-2&(1<x<4)\\8x+4&(x>4)\end{cases}이므로 함수 h(x)\displaystyle h(x)x=p\displaystyle x=p에서의 미분가능에 대하여 살펴보면 다음과 같다.(Ⅰ) 함수 h(x)\displaystyle h(x)x=p\displaystyle x=p에서 미분가능 할 때에는limxp+h(x)h(p)xp=limxph(x)h(p)xp=limxph(x)h(p)xp=h(p)\displaystyle \lim_{x\to p+}\frac{h(x)-h(p)}{x-p}=\lim_{x\to p-}\frac{h(x)-h(p)}{x-p}=\lim_{x\to p}\frac{h(x)-h(p)}{x-p}=h^{\prime}(p)이고 주어진 조건에 의해서 4h(p)=h(p)\displaystyle 4h^{\prime}(p)=h^{\prime}(p)이므로 h(p)=0\displaystyle h^{\prime}(p)=0이다. 함수 h(x)\displaystyle h(x)는 구간 (,2)\displaystyle (-\infty,-2) 또는 (1,)\displaystyle (1,\infty)에서 증가하므로 h(p)=0\displaystyle h^{\prime}(p)=0를 만족하는 p\displaystyle p는 존재하지 않는다. 2<x<1\displaystyle -2<x<1에서 h(x)=8x+4\displaystyle h^{\prime}(x)=8x+4이므로 h(p)=0\displaystyle h^{\prime}(p)=0에서 h(p)=8p+4=0, p=12\displaystyle h^{\prime}(p)=8p+4=0,\ p=-\frac12.

(Ⅱ) 함수 h(x)\displaystyle h(x)에 대하여 h(x)\displaystyle h^{\prime}(x)h(x)={3x2+2x2(x<2)8x+4(2<x<1)3x2+2x2(1<x<4)8x+4(x>4)\displaystyle h^{\prime}(x)=\begin{cases}3x^2+2x-2&(x<-2)\\8x+4&(-2<x<1)\\3x^2+2x-2&(1<x<4)\\8x+4&(x>4)\end{cases}이므로 함수 h(x)\displaystyle h(x)x=p\displaystyle x=p에서 미분가능하지 않을 가능성이 있는 부분은 p=2\displaystyle p=-2 또는 p=1\displaystyle p=1 또는 p=4\displaystyle p=4일 때이다. 각각의 경우를 살펴보면 다음과 같다.(ⅰ) p=2\displaystyle p=-2일 때4×limx2+h(x)h(2)x+2=4×limx2+f(x)f(2)x+2=48\displaystyle 4\times\lim_{x\to-2+}\frac{h(x)-h(-2)}{x+2}=4\times\lim_{x\to-2+}\frac{f(x)-f(-2)}{x+2}=-48limx2h(x)h(2)x+2=limx2g(x)g(2)x+2=6\displaystyle \lim_{x\to-2-}\frac{h(x)-h(-2)}{x+2}=\lim_{x\to-2-}\frac{g(x)-g(-2)}{x+2}=6이므로 문제의 조건을 만족시키지 않는다.

(ⅱ) p=4\displaystyle p=4일 때4×limx4+h(x)h(4)x4=4×limx4+f(x)f(4)x4=144\displaystyle 4\times\lim_{x\to4+}\frac{h(x)-h(4)}{x-4}=4\times\lim_{x\to4+}\frac{f(x)-f(4)}{x-4}=144limx4h(x)h(4)x4=limx4g(x)g(4)x4=54\displaystyle \lim_{x\to4-}\frac{h(x)-h(4)}{x-4}=\lim_{x\to4-}\frac{g(x)-g(4)}{x-4}=54이므로 문제의 조건을 만족시키지 않는다.

(ⅲ) p=1\displaystyle p=1일 때4×limx1+h(x)h(1)x1=4×limx1+g(x)g(1)x1=12\displaystyle 4\times\lim_{x\to1+}\frac{h(x)-h(1)}{x-1}=4\times\lim_{x\to1+}\frac{g(x)-g(1)}{x-1}=12limx1h(x)h(1)x1=limx1f(x)f(1)x1=12\displaystyle \lim_{x\to1-}\frac{h(x)-h(1)}{x-1}=\lim_{x\to1-}\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=12이므로 p=1\displaystyle p=1일 때 문제의 조건을 만족시킨다.따라서 p=1,12\displaystyle p=1,-\frac12

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