수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

실수 a\displaystyle a에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)를f(x)=33x+3−3x−3(32x+3−2x)−2(31+x+31−x)+a (x≥0)\displaystyle f(x)=3^{3x}+3^{-3x}-3\left(3^{2x}+3^{-2x}\right)-2\left(3^{1+x}+3^{1-x}\right)+a\ (x\geq 0)라 할 때, 다음 물음에 답하여라.

(a) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 최소가 되도록 하는 x\displaystyle x의 값을 모두 구하여라. (30점)

(b) 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프가 x\displaystyle x축과 한 점에서만 만나도록 하는 a\displaystyle a의 값을 모두 구하여라. (55점)

+4점 · X=3x+3−x\displaystyle X=3^{x}+3^{-x}로 치환했는가

(a) X=3x+3−x\displaystyle X=3^{x}+3^{-x}라 하자.

+4점 · 산술기하평균으로 X≥2\displaystyle X\geq 2를 보였는가

X=3x+13x≥23x⋅13x=2\displaystyle X=3^{x}+\dfrac{1}{3^{x}}\geq 2\sqrt{3^{x}\cdot\dfrac{1}{3^{x}}}=2 (단, x=0\displaystyle x=0일 때 등호성립)

+4점 · X\displaystyle X가 증가하여 일대일대응임을 언급했는가

이때 dXdx=(3x−3−x)ln⁡3≥0\displaystyle \dfrac{dX}{dx}=\left(3^{x}-3^{-x}\right)\ln 3\geq 0 (∵ x≥0\displaystyle \because\ x\geq 0, 단 x=0\displaystyle x=0일 때 등호성립)이고lim⁡x→∞(3x+3−x)=∞\displaystyle \lim_{x\to\infty}\left(3^{x}+3^{-x}\right)=\infty이므로, x≥0\displaystyle x\geq 0일 때 X\displaystyle X와 x\displaystyle x는 일대일대응이다.

Caution. 치환할 때는 새 변수의 범위를 확인해야 한다: 이 문제에서는 X=3x+3−x\displaystyle X=3^x+3^{-x}의 범위가 X≥2\displaystyle X\ge2이므로, 치환한 삼차함수도 X≥2\displaystyle X\ge2에서만 조사해야 한다.

Caution. 치환 전후 변수의 대응 관계를 확인해야 한다: 이 문제에서는 x≥0\displaystyle x\ge0인 x\displaystyle x와 X≥2\displaystyle X\ge2인 X\displaystyle X가 일대일대응한다. 따라서 치환한 방정식의 X≥2\displaystyle X\ge2인 근 하나마다 원래 방정식의 x≥0\displaystyle x\ge0인 근이 정확히 하나씩 대응하므로, 두 범위에서 근의 개수는 같다.

+4점 · f\displaystyle f를 g(X)=X3−3X2−9X+6+a (X≥2)\displaystyle g(X)=X^{3}-3X^{2}-9X+6+a\ (X\geq 2)로 변환했는가

f(x)=g(X)=(X3−3X)−3(X2−2)−6X+a=X3−3X2−9X+6+a (X≥2)\displaystyle f(x)=g(X)=\left(X^{3}-3X\right)-3\left(X^{2}-2\right)-6X+a=X^{3}-3X^{2}-9X+6+a\ (X\geq 2)

+6점 · 증감표로 X=3\displaystyle X=3에서 최솟값을 가짐을 보였는가

g′(X)=3X2−6X−9=3(X+1)(X−3)\displaystyle g^{\prime}(X)=3X^{2}-6X-9=3(X+1)(X-3)이므로 X≥2\displaystyle X\geq 2에서 g′(X)=0\displaystyle g^{\prime}(X)=0인 것은 X=3\displaystyle X=3뿐이다.

X\displaystyle X2⋯3⋯
g′(X)\displaystyle g^{\prime}(X)-0+
g(X)\displaystyle g(X)a−16\displaystyle a-16↘a−21\displaystyle a-21↗

따라서 g\displaystyle g는 X=3\displaystyle X=3에서 최솟값 g(3)=a−21\displaystyle g(3)=a-21을 갖는다.

+4점 · 3x\displaystyle 3^{x}의 두 근 중 3−52\displaystyle \dfrac{3-\sqrt{5}}{2}를 x≥0\displaystyle x\geq 0을 근거로 배제했는가

X=3=3x+3−x\displaystyle X=3=3^{x}+3^{-x}에서 3x=3+52\displaystyle 3^{x}=\dfrac{3+\sqrt{5}}{2} (∵ x≥0\displaystyle \because\ x\geq 0)

+4점 · x=log⁡33+52\displaystyle x=\log_{3}\dfrac{3+\sqrt{5}}{2}를 얻었는가

∴ x=log⁡33+52\displaystyle \therefore\ x=\log_{3}\dfrac{3+\sqrt{5}}{2}

+10점 · X\displaystyle X와 x\displaystyle x의 일대일대응을 근거로 실근 개수 문제로 바꿨는가

(b) X\displaystyle X와 x\displaystyle x가 일대일대응이므로 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 x\displaystyle x축의 교점의 개수는g(X)=0 (X≥2)\displaystyle g(X)=0\ (X\geq 2)의 실근의 개수와 같다.

+10점 · g(2)\displaystyle g(2), g(3)\displaystyle g(3)의 값과 증감·극한으로 그래프 개형을 파악했는가

g(2)=a−16\displaystyle g(2)=a-16, g(3)=a−21\displaystyle g(3)=a-21이고, g\displaystyle g는 [2, 3]\displaystyle [2,\,3]에서 감소, [3, ∞)\displaystyle [3,\,\infty)에서 증가하며lim⁡X→∞g(X)=∞\displaystyle \lim_{X\to\infty}g(X)=\infty이다.

+10점 · a>21\displaystyle a>21, a=21\displaystyle a=21의 경우를 올바르게 판정했는가

(i) a>21\displaystyle a>21이면 g(X)≥a−21>0\displaystyle g(X)\geq a-21>0이므로 근이 없다.(ii) a=21\displaystyle a=21이면 X=3\displaystyle X=3에서만 g=0\displaystyle g=0이므로 근은 1개이다.

+10점 · 16<a<21\displaystyle 16<a<21, a=16\displaystyle a=16의 경우(근 2개)를 올바르게 판정했는가

(iii) 16<a<21\displaystyle 16<a<21이면 g(2)>0>g(3)\displaystyle g(2)>0>g(3)이므로 [2, 3)\displaystyle [2,\,3)과 (3, ∞)\displaystyle (3,\,\infty)에 하나씩, 근은 2개이다.(iv) a=16\displaystyle a=16이면 g(2)=0\displaystyle g(2)=0이고 (3, ∞)\displaystyle (3,\,\infty)에 하나가 더 있으므로 근은 2개이다.

+10점 · a<16\displaystyle a<16의 경우(근 1개)를 올바르게 판정했는가

(v) a<16\displaystyle a<16이면 [2, 3)\displaystyle [2,\,3)에서 g(X)≤g(2)<0\displaystyle g(X)\leq g(2)<0이므로 근은 (3, ∞)\displaystyle (3,\,\infty)에 있는 1개뿐이다.

+5점 · a<16\displaystyle a<16 또는 a=21\displaystyle a=21로 결론지었는가

∴ a<16\displaystyle \therefore\ a<16 또는 a=21\displaystyle a=21

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