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자연계열 1번

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문제

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+20점 · P\displaystyle \mathrm{P}Q\displaystyle \mathrm{Q}의의 좌표를 표현한다.Correction. ‘Q의의’는 ‘Q의’의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

y=x42x2+1\displaystyle y=x^{4}-2x^{2}+1y=x2+x+2\displaystyle y=-x^{2}+x+2를 연립하면 x4x2x1=(x+1)(x3x21)=0\displaystyle x^{4}-x^{2}-x-1=(x+1)(x^{3}-x^{2}-1)=0이므로 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표는 (1,0)\displaystyle (-1,0)이다. 또한f(x)=x3x21\displaystyle f(x)=x^{3}-x^{2}-1라 두면 f(x)=3x22x\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^{2}-2x이다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=0\displaystyle x=0에서 극댓값 1\displaystyle -1을 가지므로 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 단 하나의 실근을 가진다. 그 실근을 a\displaystyle a라 하면 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표는 (a,a2+a+2)\displaystyle (a,-a^{2}+a+2)이다.

+20점 · 두 함수의 그래프를 이용해서 Q\displaystyle \mathrm{Q}x\displaystyle x좌표 a\displaystyle a의 범위를 구한다.

y=x42x2+1\displaystyle y=x^{4}-2x^{2}+1y=x2+x+2\displaystyle y=-x^{2}+x+2의 그래프로부터 a\displaystyle a의 범위는 1<a<2\displaystyle 1<a<2이다.

+20점 · PQPA\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PA}}a\displaystyle a로 표현한다.

한편, 주어진 내적은PQPA=(OQOP)(OAOP)=(a+1,a2+a+2)(1,1)=a21\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PA}}=(\overrightarrow{\mathrm{OQ}}-\overrightarrow{\mathrm{OP}})\cdot(\overrightarrow{\mathrm{OA}}-\overrightarrow{\mathrm{OP}})=(a+1,-a^{2}+a+2)\cdot(1,-1)=a^{2}-1이다.

+25점 · 사잇값 정리를 이용해 구하는 k\displaystyle k의 값을 계산한다.

따라서 0<PQPA<3\displaystyle 0<\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PA}}<3이고 구하는 정수 k\displaystyle k0\displaystyle 0, 1\displaystyle 1, 2\displaystyle 2 중 하나이다. f(2)=223=89<0\displaystyle f(\sqrt{2})=2\sqrt{2}-3=\sqrt{8}-\sqrt{9}<0이고 f(3)=334=2716>0\displaystyle f(\sqrt{3})=3\sqrt{3}-4=\sqrt{27}-\sqrt{16}>0이므로 사잇값 정리에 의해 2<a<3\displaystyle \sqrt{2}<a<\sqrt{3}이다. 따라서 1PQPA<2\displaystyle 1\le\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PA}}<2이고 k=1\displaystyle k=1이다.

곡선 y=x⁴−2x²+1과 y=−x²+x+2를 한 좌표평면에 그린 그림. 두 곡선은 x좌표가 −1인 점 P와 1과 2 사이의 x좌표 a인 점 Q에서 만난다.

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