수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

【문제 3】아래의 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (25점)

(가) 삼차방정식 x3−12x2+45x−k=0\displaystyle x^3-12x^2+45x-k=0의 세 근을 a,b,c\displaystyle a,b,c라고 하자. (단, k\displaystyle k는 실수이다.)

(문제 3-1) 제시문 (가)의 세 근 a,b,c\displaystyle a,b,c를 모두 실수가 되게 하는 k\displaystyle k값의 범위를 구하시오. (10점)

(문제 3-2) 제시문 (가)의 세 근 a,b,c\displaystyle a,b,c가 모두 양의 정수일 때, k\displaystyle k값을 모두 구하시오. (5점)

(문제 3-3) 삼각형 ABC\displaystyle ABC의 세 각 ∠A\displaystyle \angle A, ∠B\displaystyle \angle B, ∠C\displaystyle \angle C의 크기는 각각 A\displaystyle A, B\displaystyle B, C\displaystyle C로 나타낸다. (문제 3-2)에서 구한 a,b,c\displaystyle a,b,c가 각 ∠A\displaystyle \angle A, ∠B\displaystyle \angle B, ∠C\displaystyle \angle C의 대변의 길이인 경우 이 삼각형 ABC\displaystyle ABC에 대해서, abcos⁡C+bccos⁡A+cacos⁡B\displaystyle ab\cos C+bc\cos A+ca\cos B를 구하시오. (10점)

해설강의 준비중

(문제 3-1) 배점 10점

(정답) α=50\displaystyle \alpha=50, β=54\displaystyle \beta=54

(풀이)

x3−12x2+45x−k=0\displaystyle x^3-12x^2+45x-k=0 방정식의 실수해 3개가 존재하기 위해서는 함수 f(x)=x3−12x2+45x−k\displaystyle f(x)=x^3-12x^2+45x-k의 극댓값이 0보다 크거나 같고, 극솟값이 0보다 작거나 같아야 한다.

극댓값 극솟값을 구하기 위해서 f(x)\displaystyle f(x)를 미분하면,

f′(x)=3x2−24x+45=3(x−3)(x−5)\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-24x+45=3(x-3)(x-5)이므로 x=3,x=5\displaystyle x=3,x=5에서 극값을 갖는다.

다시 한 번 미분하면

f′′(x)=6x−24\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=6x-24이고, x=3\displaystyle x=3이면, 6×3−24=−6<0\displaystyle 6\times3-24=-6<0이므로 극댓값, x=5\displaystyle x=5이면, 6×5−24=6>0\displaystyle 6\times5-24=6>0이므로 극솟값을 갖는다.

따라서,

f(3)=27−108+135−k=54−k≥0\displaystyle f(3)=27-108+135-k=54-k\ge0,

f(5)=125−300+225−k=50−k≤0\displaystyle f(5)=125-300+225-k=50-k\le0이고,

50≤k≤54\displaystyle 50\le k\le54이므로, α=50\displaystyle \alpha=50, β=54\displaystyle \beta=54이다.

(문제 3-2) 배점 5점

(정답) k=50,54\displaystyle k=50,54

(풀이)

x3−12x2+45x−k=0\displaystyle x^3-12x^2+45x-k=0과

a,b,c\displaystyle a,b,c 근으로 갖는 삼차방정식 (x−a)(x−b)(x−c)=0\displaystyle (x-a)(x-b)(x-c)=0을 전개한

x3−(a+b+c)x2+(ab+bc+ca)x−abc=0\displaystyle x^3-(a+b+c)x^2+(ab+bc+ca)x-abc=0를 비교하면

a+b+c=12\displaystyle a+b+c=12 (1), ab+bc+ca=45\displaystyle ab+bc+ca=45(2), abc=k\displaystyle abc=k(3) 이므로

a,b,c\displaystyle a,b,c가 모두 정수이면, k=abc\displaystyle k=abc도 정수이므로 (문제 3-1) 범위에서 가능한 k\displaystyle k는 50, 51, 52, 53, 54이다.

이중 a+b+c=12\displaystyle a+b+c=12이고, ab+bc+ca=45\displaystyle ab+bc+ca=45인 양의 정수 (a,b,c)\displaystyle (a,b,c)는 (3,3,6)\displaystyle (3,3,6)과 (2,5,5)\displaystyle (2,5,5)만 가능하다.

(2,5,5)\displaystyle (2,5,5)인 경우 k=2×5×5=50\displaystyle k=2\times5\times5=50이고,

(3,3,6)\displaystyle (3,3,6)인 경우 k=3×3×6=54\displaystyle k=3\times3\times6=54이다.

(문제 3-3) 배점 10점

(정답) 27

(풀이)

삼각형의 가장 긴 변의 길이는 나머지 두 변의 합보다 작아야 한다. 2+5>5\displaystyle 2+5>5, 3+3=6\displaystyle 3+3=6이므로 (문제 3-2)에서 구한 a,b,c\displaystyle a,b,c중 삼각형을 이루는 조합은 (2,5,5)\displaystyle (2,5,5)이다.

삼각형 ABC\displaystyle ABC에서의 코사인 법칙을 적용하면

a2=b2+c2−2bccos⁡A\displaystyle a^2=b^2+c^2-2bc\cos A, b2=c2+a2−2cacos⁡B\displaystyle b^2=c^2+a^2-2ca\cos B, c2=a2+b2−2abcos⁡C\displaystyle c^2=a^2+b^2-2ab\cos C

cos⁡A=b2+c2−a22bc\displaystyle \cos A=\frac{b^2+c^2-a^2}{2bc}, cos⁡B=c2+a2−b22ca\displaystyle \cos B=\frac{c^2+a^2-b^2}{2ca}, cos⁡C=a2+b2−c22ab\displaystyle \cos C=\frac{a^2+b^2-c^2}{2ab}

abcos⁡C+bccos⁡A+cacos⁡B=b2+c2−a22+c2+a2−b22+a2+b2−c22=a2+b2+c22=22+52+522=27\displaystyle ab\cos C+bc\cos A+ca\cos B=\frac{b^2+c^2-a^2}2+\frac{c^2+a^2-b^2}2+\frac{a^2+b^2-c^2}2=\frac{a^2+b^2+c^2}2=\frac{2^2+5^2+5^2}2=27

[문제 3-1] (10점)(상) 문제해결방향과계산이명확하고옳게답을구한경우(중상) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에사소한실수가있는경우(중하) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에중요한실수나계산을끝까지마치지못 한경우(하) 잘못된방향설정으로답을구하지못한경우

[문제 3-2] (5점)(상) 문제해결방향과계산이명확하고옳게답을구한경우(중상) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에사소한실수가있는경우(중하) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에중요한실수나계산을끝까지마치지못 한경우(하) 잘못된방향설정으로답을구하지못한경우

[문제 3-2] (10점)Correction. 마지막 채점기준의 [3-2]는 [3-3]의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.(상) 문제해결방향과계산이명확하고옳게답을구한경우(중상) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에사소한실수가있는경우(중하) 문제해결방향을맞게설정했지만계산에중요한실수나계산을끝까지마치지못 한경우(하) 잘못된방향설정으로답을구하지못한경우

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