수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 1번

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문제

[문제 1] (85점)

함수 f(x)=x3+ax2+bx+1\displaystyle f(x)=x^{3}+ax^{2}+bx+1일 때, 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)≠0\displaystyle f^{\prime}(x)\ne0이면서 다음을 만족시키는 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 개수가 2가 되도록 하는 실수 a\displaystyle a, b\displaystyle b의 조건을 구하여라.

곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 P(p,q)\displaystyle \mathrm{P}(p,q)에서의 접선을 l1\displaystyle l_{1}이라 하고, 점 P\displaystyle \mathrm{P}를 지나고 직선 l1\displaystyle l_{1}에 수직인 직선을 l2\displaystyle l_{2}라 하자. 직선 l2\displaystyle l_{2}와 y\displaystyle y축의 교점을 Q\displaystyle \mathrm{Q}라 할 때, PQ‾=2∣p∣>0\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=2|p|>0이다.

해설강의 준비중
+20점 · 삼차함수의 그래프의 주어진 점에서의 접선의 기울기가 0이 되지 않도록 하는 삼차식의 계수에 관한 조건을 찾는다.

f′(x)=3x2+2ax+b\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^{2}+2ax+b가 모든 x\displaystyle x에 대해 0\displaystyle 0이 아니므로, 모든 x\displaystyle x에 대해 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이다. 따라서, a2−3b<0\displaystyle a^{2}-3b<0이다.

+65점 · 삼차함수의 그래프의 주어진 점을 지나고 이 점에서의 접선에 수직인 직선을 찾은 후 문제에서 주어진 조건을 만족하는지를 확인한다.

또한, 직선 l2\displaystyle l_{2}는 y=−13p2+2ap+b(x−p)+q\displaystyle y=-\frac{1}{3p^{2}+2ap+b}(x-p)+q이며, 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}는 (0,p3p2+2ap+b+q)\displaystyle \left(0,\frac{p}{3p^{2}+2ap+b}+q\right)이다. 문제의 조건에서 PQ‾=2∣p∣\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=2|p|를 만족시켜야 하므로p2+p2(3p2+2ap+b)2=2∣p∣\displaystyle \sqrt{p^{2}+\frac{p^{2}}{(3p^{2}+2ap+b)^{2}}}=2|p|가 성립한다. 조건에서 p≠0\displaystyle p\ne0이므로 위 식을 정리하면 3p2+2ap+b=±13\displaystyle 3p^{2}+2ap+b=\pm\frac{1}{\sqrt{3}}이다. 또한 f′(p)=3p2+2ap+b>0\displaystyle f^{\prime}(p)=3p^{2}+2ap+b>0이므로 3p2+2ap+b=13\displaystyle 3p^{2}+2ap+b=\frac{1}{\sqrt{3}}이다. 이 이차방정식의 해가 서로 다른 두 실근일 조건은 a2−3b>−3\displaystyle a^{2}-3b>-\sqrt{3}이다.

한편, b=13\displaystyle b=\frac{1}{\sqrt{3}}이면 이차방정식 3p2+2ap+b=13\displaystyle 3p^{2}+2ap+b=\frac{1}{\sqrt{3}}의 한 근이 p=0\displaystyle p=0이므로 주어진 조건을 만족시키는 점 P\displaystyle \mathrm{P}는 하나만 존재한다. 따라서 구하는 조건은−3<a2−3b<0, b≠13\displaystyle -\sqrt{3}<a^{2}-3b<0,\ b\ne\frac{1}{\sqrt{3}}이다.

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