수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

[문제 4] (총 115점)

다음 물음에 답하여라.

(a) x>0\displaystyle x>0일 때,20(a−1)x−(4+a)+(4+a)cos⁡x>0\displaystyle 20(a-1)x-(4+a)+(4+a)\cos x>0가 성립함을 보여라. (단, a\displaystyle a는 2\displaystyle 2 이상의 자연수이다.) (25점)

(b) 다음 조건을 만족시키는 두 자연수 a\displaystyle a, b\displaystyle b의 순서쌍 (a,b)\displaystyle (a,b)를 모두 구하여라. (90점)

두 함수 y=−bsin⁡x\displaystyle y=-b\sin x와 y=10(a−1)x2−(4+a)x\displaystyle y=10(a-1)x^{2}-(4+a)x의 그래프의 교점의 개수는 1\displaystyle 1개이다.

해설강의 준비중
+25점 · (a) 주어진 부등식이 성립함을 논리적으로 보인다.

(a) g(x)=20(a−1)x−(4+a)+(4+a)cos⁡x\displaystyle g(x)=20(a-1)x-(4+a)+(4+a)\cos x라 하면, sin⁡x≤1\displaystyle \sin x\le1이며 a\displaystyle a는 2\displaystyle 2 이상의 자연수이므로g′(x)=20(a−1)−(4+a)sin⁡x≥20(a−1)−(4+a)≥19a−24≥14\displaystyle g^{\prime}(x)=20(a-1)-(4+a)\sin x\ge20(a-1)-(4+a)\ge19a-24\ge14이 성립한다.g(0)=0\displaystyle g(0)=0이므로, x>0\displaystyle x>0일 때 g(x)>0\displaystyle g(x)>0이다.

+30점 · (b) a=1\displaystyle a=1일 때 조건을 만족하는 b\displaystyle b를 빠짐없이 구한다.

(b) (i) a=1\displaystyle a=1인 경우사인함수의 개형을 활용하면,x>0\displaystyle x>0일 때, sin⁡x<x\displaystyle \sin x<x이고 x<0\displaystyle x<0일 때, sin⁡x>x⋯ (1)\displaystyle \sin x>x\quad\cdots\ (1)이 성립한다.자연수 b\displaystyle b가 5\displaystyle 5 이하일 때,x>0\displaystyle x>0일 때, −bsin⁡x>−bx≥−5x\displaystyle -b\sin x>-bx\ge-5x이고x<0\displaystyle x<0일 때, −bsin⁡x<−bx≤−5x\displaystyle -b\sin x<-bx\le-5x이므로, 두 함수 y=−bsin⁡x\displaystyle y=-b\sin x와 y=−5x\displaystyle y=-5x의 그래프의 교점은 원점뿐이다.따라서 자연수 b\displaystyle b가 5\displaystyle 5 이하일 때 문제의 조건을 만족한다.한편 자연수 b\displaystyle b가 6\displaystyle 6 이상일 때, y=−bsin⁡x\displaystyle y=-b\sin x의 0\displaystyle 0에서의 기울기가 −b\displaystyle -b이므로 사인함수의 개형을 활용하면 교점이 세 개 이상임을 알 수 있다.그러므로 조건을 만족하는 (a,b)\displaystyle (a,b)는 (1,1),(1,2),(1,3),(1,4),(1,5)\displaystyle (1,1),(1,2),(1,3),(1,4),(1,5)이다.

+30점 · (b) a≥2\displaystyle a\ge2일 때 교점이 하나이기 위한 필요조건을 구한다.

(ii) a\displaystyle a가 2\displaystyle 2 이상의 자연수인 경우f(x)=10(a−1)x2−(4+a)x+bsin⁡x\displaystyle f(x)=10(a-1)x^{2}-(4+a)x+b\sin x라 정의하면 두 함수 y=−bsin⁡x\displaystyle y=-b\sin x와 y=10(a−1)x2−(4+a)x\displaystyle y=10(a-1)x^{2}-(4+a)x의 그래프의 교점의 개수는 f(x)=0\displaystyle f(x)=0의 해의 개수와 같다.한편, lim⁡x→+∞f(x)=lim⁡x→−∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to+\infty}f(x)=\lim_{x\to-\infty}f(x)=\infty이다.그러므로 만약 f(k)<0\displaystyle f(k)<0인 k\displaystyle k가 존재한다면 f(x)\displaystyle f(x)의 연속성에 의해 열린구간 (−∞,k)\displaystyle (-\infty,k)와 (k,∞)\displaystyle (k,\infty)에서 f(x)=0\displaystyle f(x)=0의 해가 각각 존재한다.따라서 조건을 만족하는 f(x)\displaystyle f(x)는 항상 0\displaystyle 0보다 크거나 같다.f(0)=0\displaystyle f(0)=0이므로, f(x)\displaystyle f(x)는 x=0\displaystyle x=0에서 극소이고 f′(0)=0\displaystyle f^{\prime}(0)=0이다.이를 활용하면 b=4+a\displaystyle b=4+a를 얻을 수 있고, 따라서f(x)=10(a−1)x2+(4+a)(sin⁡x−x)\displaystyle f(x)=10(a-1)x^{2}+(4+a)(\sin x-x)이다.

+25점 · (b) 구한 조건에서 교점이 하나뿐임을 보인다.

x<0\displaystyle x<0일 때, (1)에 의해 f(x)>0\displaystyle f(x)>0이다.x>0\displaystyle x>0일 때, 평균값 정리에 의해f(x)−f(0)x−0=f′(c)\displaystyle \frac{f(x)-f(0)}{x-0}=f^{\prime}(c)인 c\displaystyle c가 0\displaystyle 0과 x\displaystyle x 사이에 존재한다.(a)에 의해 f′(c)=g(c)>0\displaystyle f^{\prime}(c)=g(c)>0이다.그러므로 x>0\displaystyle x>0이면 f(x)>0\displaystyle f(x)>0이다.따라서 조건을 만족하는 (a,b)\displaystyle (a,b)는 (k,4+k)\displaystyle (k,4+k)이다.(단, k\displaystyle k는 2\displaystyle 2 이상의 자연수)

+5점 · (b) 조건을 만족하는 모든 순서쌍을 제시한다.

(i), (ii)에 의해 조건을 만족하는 (a,b)\displaystyle (a,b)는 (1,1),(1,2),(1,3),(1,4),(1,5),(k,4+k)\displaystyle (1,1),(1,2),(1,3),(1,4),(1,5),(k,4+k)이다.(단, k\displaystyle k는 2\displaystyle 2이상의 자연수)

다른 타당한 풀이도 해당 단계의 논증과 계산이 옳으면 같은 배점을 인정한다.

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