수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 4번

문제

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해설강의 준비중
+25점 · 한 근이 주어진 삼차방정식의 나머지 두 근을 구한다.

(a) t\displaystyle t가 방정식 x36x2+a=0\displaystyle x^{3}-6x^{2}+a=0의 근이므로 t36t2+a=0\displaystyle t^{3}-6t^{2}+a=0, a=6t2t3\displaystyle a=6t^{2}-t^{3}이다. 따라서x36x2+a=x36x2+6t2t3=(xt){x2(6t)x+t26t}=0\displaystyle x^{3}-6x^{2}+a=x^{3}-6x^{2}+6t^{2}-t^{3}=(x-t)\{x^{2}-(6-t)x+t^{2}-6t\}=0이므로 나머지 두 근은 6t±(6t)24(t26t)2=6t±3t2+12t+362\displaystyle \frac{6-t\pm\sqrt{(6-t)^{2}-4(t^{2}-6t)}}{2}=\frac{6-t\pm\sqrt{-3t^{2}+12t+36}}{2}이다.

곡선 y=−x³+6x²와 수평선 y=a를 그린 그래프. 두 곡선의 교점 가운데 제1사분면의 두 점이 A와 D이고, 그 아래 x축 위의 점 B(x₁, 0), C(x₂, 0)와 함께 직사각형 ABCD를 이룬다. x축의 −2와 t가 표시되어 있다.
+90점 · 구하고자 하는 넓이를 한 변수에 대한 식으로 정리하고, 미분을 이용하여 값을 구한다.

(b) B(x1,0)\displaystyle \mathrm{B}(x_{1},\,0), C(x2,0)\displaystyle \mathrm{C}(x_{2},\,0), AB=a\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=a라 하자. x1\displaystyle x_{1}, x2\displaystyle x_{2}는 방정식 x3+6x2=a\displaystyle -x^{3}+6x^{2}=a의 해이다. 방정식 x3+6x2=a\displaystyle -x^{3}+6x^{2}=ax1\displaystyle x_{1}, x2\displaystyle x_{2}가 아닌 다른 해를 t\displaystyle t라 하자. 2<t<0\displaystyle -2<t<0이고 (a)에 의해x1=6t3t2+12t+362,x2=6t+3t2+12t+362\displaystyle x_{1}=\frac{6-t-\sqrt{-3t^{2}+12t+36}}{2},\qquad x_{2}=\frac{6-t+\sqrt{-3t^{2}+12t+36}}{2}이므로 직사각형 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}의 넓이는 a(x2x1)=(t3+6t2)3t2+12t+36\displaystyle a(x_{2}-x_{1})=(-t^{3}+6t^{2})\sqrt{-3t^{2}+12t+36}이다.

f(x)=(x3+6x2)3x2+12x+36\displaystyle f(x)=(-x^{3}+6x^{2})\sqrt{-3x^{2}+12x+36}, g(x)=lnf(x)=2lnx+lnx6+12ln3x212x36\displaystyle g(x)=\ln|f(x)|=2\ln|x|+\ln|x-6|+\frac{1}{2}\ln|3x^{2}-12x-36|라 하자.g(x)=f(x)f(x)=2x+1x6+6x122(3x212x36)=4(x22x6)x(x6)(x+2)\displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{f^{\prime}(x)}{f(x)}=\frac{2}{x}+\frac{1}{x-6}+\frac{6x-12}{2(3x^{2}-12x-36)}=\frac{4(x^{2}-2x-6)}{x(x-6)(x+2)}이고 방정식 x22x6=0\displaystyle x^{2}-2x-6=0의 근 중에서 2<x<0\displaystyle -2<x<0인 것은 x=17\displaystyle x=1-\sqrt{7}이다.x(2)17(0)f(x)+0f(x)극대\displaystyle \begin{array}{|c|c|c|c|c|c|} \hline x & (-2) & \cdots & 1-\sqrt{7} & \cdots & (0) \\ \hline f^{\prime}(x) & & + & 0 & - & \\ \hline f(x) & & \nearrow & \text{극대} & \searrow & \\ \hline \end{array}

따라서 t=17\displaystyle t=1-\sqrt{7}에서 직사각형 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}는 최대 넓이를 갖고, 이때 변 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이는 (17)3+6(17)2=2627\displaystyle -(1-\sqrt{7})^{3}+6(1-\sqrt{7})^{2}=26-2\sqrt{7}이다.

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