| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 분자를 정리하면 \(3^{\sqrt{3}+3}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\dfrac{\left(3 \times 3^{\sqrt{3}}\right)^{\sqrt{3}}}{3^{\sqrt{3}-1}} = 81\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
문제에서 주어진 식을 정리하면
\[ \frac{\left(3 \times 3^{\sqrt{3}}\right)^{\sqrt{3}}}{3^{\sqrt{3}-1}} = \frac{3^{\sqrt{3}} \times 3^3}{3^{\sqrt{3}-1}} = 3^{\sqrt{3}+3-(\sqrt{3}-1)} = 3^4 = 81 \]
이다.
\[ \therefore\ 81 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(a = k^{\frac{1}{2}},\ b = k^{\frac{1}{3}},\ c = k^{\frac{1}{4}}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\log_a b + \log_b c + \log_c a = \dfrac{41}{12}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(a^2 = b^3 = c^4 = k\)라 하면 \(a = k^{\frac{1}{2}},\ b = k^{\frac{1}{3}},\ c = k^{\frac{1}{4}}\)이므로
\[ \begin{aligned} \log_a b + \log_b c + \log_c a &= \log_{k^{\frac{1}{2}}} k^{\frac{1}{3}} + \log_{k^{\frac{1}{3}}} k^{\frac{1}{4}} + \log_{k^{\frac{1}{4}}} k^{\frac{1}{2}} \\[6pt] &= \frac{\frac{1}{3}}{\frac{1}{2}} + \frac{\frac{1}{4}}{\frac{1}{3}} + \frac{\frac{1}{2}}{\frac{1}{4}} = \frac{2}{3} + \frac{3}{4} + 2 = \frac{41}{12} \end{aligned} \]
이다.
\[ \therefore\ \frac{41}{12} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\cos x = t\)라 하면 문제에서의 방정식을 \(-t^2 + 2t + 3 + k = 0\)으로 나타낼 수 있다. | 2점 |
| \(-1 \lt t \lt 1\)에서 \(-t^2 + 2t + 3 + k = 0\)의 근이 한 개만 있어야 함을 알 수 있다. | 2점 |
| \(-4 \lt k \lt 0\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| 문제에서의 조건을 만족시키는 모든 정수 \(k\)의 값의 합이 \(-6\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
\(\cos x = t\)라 하면 \(\sin^2 x + \cos^2 x = 1\)로부터 문제에서의 방정식은 다음과 같이 \(t\)에 대한 이차방정식으로 나타낼 수 있다.
\[ \sin^2 x + 2\cos x + 2 + k = 0 \]
\[ (1-\cos^2 x) + 2\cos x + 2 + k = 0 \]
\[ \therefore\ -t^2 + 2t + 3 + k = 0 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
\(0 \le x \le 3\pi\)에서 방정식 \(\sin^2 x + 2\cos x + 2 + k = 0\)의 서로 다른 실근의 개수가 \(3\)이기 위해서는 반드시 \(-1 \lt t \lt 1\)에서 이차방정식 ㉠의 근이 한 개만 있어야 한다.
\(g(t) = t^2 - 2t - 3 - k\)라 할 때, 함수 \(g(t)\)의 대칭축이 \(t=1\)이므로
\[ g(-1) > 0, \quad g(1) \lt 0 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이면 \(-1 \lt t \lt 1\)에서 이차방정식 \(g(t) = 0\)의 근이 한 개만 있게 된다. 부등식 ㉡을 풀면
\[ g(-1) = -k > 0, \quad g(1) = -4 - k \lt 0 \]
\[ \therefore\ -4 \lt k \lt 0 \]
이므로, 문제에서의 조건을 만족시키는 모든 정수 \(k\)의 값의 합은
\[ (-3) + (-2) + (-1) = -6 \]
이다.
\[ \therefore\ -6 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x) = -x^2 + 2x + b\) (단, \(b\)는 상수)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(b = 4\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(a = -4\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
\(\displaystyle \lim_{x \to \infty} \frac{f(x) + x^2}{x + 1} = 2\)를 만족시키는 다항함수 \(f(x) + x^2\)은 최고차항의 계수가 \(2\)인 일차함수이므로
\[ f(x) = -x^2 + 2x + b \quad (\text{단, } b\text{는 상수}) \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
또한 \(\displaystyle \lim_{x \to 3} \frac{f(x) - 1}{x - 3} = a\)에서 \(x \to 3\)일 때 (분모)\(\to 0\)이고 극한값이 존재하므로 (분자)\(\to 0\)이어야 한다. 즉,
\[ \lim_{x \to 3} f(x) - 1 = f(3) - 1 = 0 \quad \Longrightarrow \quad f(3) = 1 \]
식 ㉠에서 \(f(3) = -9 + 6 + b = -3 + b\)이므로
\[ -3 + b = 1 \quad \therefore\ b = 4 \]
따라서, 문제에서 구하고자 하는 \(a\)의 값은
\[ \begin{aligned} a &= \lim_{x \to 3} \frac{f(x) - 1}{x - 3} = \lim_{x \to 3} \frac{(-x^2 + 2x + 4) - 1}{x - 3} = \lim_{x \to 3} \frac{-x^2 + 2x + 3}{x - 3} \\[6pt] &= \lim_{x \to 3} \frac{-(x - 3)(x + 1)}{x - 3} = \lim_{x \to 3} -(x + 1) = -(3 + 1) = -4 \end{aligned} \]
이다.
\[ \therefore\ a = -4 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x) = (x+a)(x-a)(x-2a)\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(a = 1\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(4) = 30\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
조건 (가)의 \(\{x \mid f(x) = 0\} = \{-a,\ a,\ 2a\}\)에서
\[ f(-a) = 0, \quad f(a) = 0, \quad f(2a) = 0 \]
이고, 함수 \(f(x)\)가 최고차항의 계수가 \(1\)인 삼차함수이므로
\[ f(x) = (x+a)(x-a)(x-2a) = x^3 - 2ax^2 - a^2 x + 2a^3 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
식 ㉠에서 \(f'(x) = 3x^2 - 4ax - a^2\)이므로
\[ f'(1) = -a^2 - 4a + 3 \]
이다. 조건 (나)에서 \(f'(1) = -2\)이므로
\[ -a^2 - 4a + 3 = -2 \quad \Longrightarrow \quad (a+5)(a-1) = 0 \quad \therefore\ a = -5,\ 1 \]
식 ㉠에서 \(f(0) = 2a^3\)이므로
(ⅰ) \(a = -5\)이면 \(f(0) = -250 \lt 0\)
(ⅱ) \(a = 1\)이면 \(f(0) = 2 > 0\)
이다. 조건 (나)에서 \(f(0) > 0\)이므로 \(a = 1\)이다. 따라서 정리하면
\[ f(x) = x^3 - 2x^2 - x + 2 \]
이므로 \(f(4) = 4^3 - 2(4^2) - 4 + 2 = 64 - 32 - 4 + 2 = 30\)이다.
\[ \therefore\ f(4) = 30 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(x=a\)에서의 연속 조건 \(|a^2 - 4a + 3| = |2a - 6|\)임을 구할 수 있다. | 5점 |
| \(a = -1,\ 3\)임을 구할 수 있다. | 5점 |
| 모든 \(a\)의 값의 합이 \(2\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
함수 \(|f(x)|\)가 실수 전체의 집합에서 연속이 되려면 \(x = a\)에서 연속이어야 하므로
\[ \lim_{x \to a^+} |f(x)| = \lim_{x \to a^-} |f(x)| = |f(a)| \]
이어야 한다. 즉,
\[ |a^2 - 4a + 3| = |2a - 6| \quad \therefore\ a^2 - 4a + 3 = \pm (2a - 6) \]
(ⅰ) \(a^2 - 4a + 3 = 2a - 6\)일 때,
\[ a^2 - 6a + 9 = 0 \quad \Longrightarrow \quad (a - 3)^2 = 0 \quad \therefore\ a = 3 \]
(ⅱ) \(a^2 - 4a + 3 = -2a + 6\)일 때,
\[ a^2 - 2a - 3 = 0 \quad \Longrightarrow \quad (a + 1)(a - 3) = 0 \quad \therefore\ a = -1,\ 3 \]
(ⅰ), (ⅱ)로부터 함수 \(|f(x)|\)가 실수 전체의 집합에서 연속이 되도록 하는 상수 \(a\)의 값은 \(-1,\ 3\)이므로 그 합은 \((-1) + 3 = 2\)이다.
\[ \therefore\ 2 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x) + 2 = (x+1)^2(x-a)\) (단, \(a\)는 실수)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(x) = (x+1)^2\left(x+\frac{1}{2}\right) - 2\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| 최댓값 \(f(-1) = -2\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| 최솟값 \(f(-2) = -\frac{7}{2}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| 최댓값과 최솟값의 합이 \(-\frac{11}{2}\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
삼차함수 \(f(x)\)는 \(x = -1\)에서 연속이므로
\[ \lim_{x \to -1^-} g(x) = f(-1) - 2 \]
이다. 이로부터 문제에서의 조건을 정리하면
\[ \lim_{x \to -1^+} g(x) = \lim_{x \to -1^+} \frac{(x+1)^2}{f(x)+2} = f(-1) \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. \(f(-1) \neq 0\)이므로 식 ㉠에서 극한값은 \(0\)이 아니다. 그런데 \(x \to -1^+\)일 때 (분자)\(\to 0\)이므로 (분모)\(\to 0\)이어야 한다. 즉,
\[ \lim_{x \to -1^+} f(x) + 2 = 0 \quad \therefore\ f(-1) + 2 = 0 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
식 ㉡으로부터 삼차식 \(f(x)+2\)는 \(x+1\)을 인수로 가지므로 \(f(x)+2 = (x+1)Q(x)\) (단, \(Q(x)\)는 이차식)로 놓을 수 있고, 이를 식 ㉠에 대입하면
\[ \lim_{x \to -1^+} \frac{x+1}{Q(x)} = f(-1) = -2 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉢} \]
이다. 식 ㉢에서 극한값이 존재하기 위해서는 \(x \to -1^+\)일 때 (분자)\(\to 0\)이므로 (분모)\(\to 0\)이어야 한다. 즉 \(\lim_{x \to -1^+} Q(x) = Q(-1) = 0\)이다.
이차식 \(Q(x)\)가 \(x+1\)을 인수로 가지고, \(f(x)\)의 최고차항의 계수가 \(1\)이므로
\[ f(x)+2 = (x+1)^2(x-a) \quad (\text{단, } a\text{는 실수}) \]
이다. 이를 식 ㉠에 대입하면
\[ \lim_{x \to -1^+} \frac{1}{x-a} = -2 \quad \Longrightarrow \quad -1-a = -\frac{1}{2} \quad \therefore\ a = -\frac{1}{2} \]
이다. 정리하면 함수 \(f(x) = (x+1)^2\left(x+\frac{1}{2}\right) - 2 = x^3 + \frac{5}{2}x^2 + 2x - \frac{3}{2}\)이고, 미분하면
\[ f'(x) = 3x^2 + 5x + 2 = (x+1)(3x+2) \]
이므로 \(f'(x) = 0\)의 해는 \(x = -1,\ -\frac{2}{3}\)이다.
위의 그림과 같이 닫힌구간 \(\left[-2,\ -\frac{3}{4}\right]\)에서 \(f(-2) = -\frac{7}{2}\) (최솟값), \(f(-1) = -2\) (최댓값), \(f\left(-\frac{3}{4}\right) = -\frac{129}{64}\)이므로, 최댓값과 최솟값의 합은
\[ (-2) + \left(-\frac{7}{2}\right) = -\frac{11}{2} \]
이다.
\[ \therefore\ -\frac{11}{2} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(g(x) = x^3 + ax\) (\(a\)는 상수)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(x) = px^2 + qx\) (\(p, q\)는 상수)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(x) = 3x^2 - 6x\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(g(x) = x^3 - 6x\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(f(1) + g(1) = -8\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
최고차항의 계수가 \(1\)인 삼차함수 \(g(x)\)가 모든 실수 \(x\)에 대하여 \(g(x) = -g(-x)\)를 만족시키므로
\[ g(x) = x^3 + ax \quad (\text{단, } a\text{는 상수}) \]
로 놓을 수 있다. \(f(x) + \displaystyle\int_0^x (x-t)f'(t)\,dt = g(x)\)에서
\[ f(x) + x\int_0^x f'(t)\,dt - \int_0^x tf'(t)\,dt = x^3 + ax \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
식 ㉠의 양변에 \(x = 0\)을 대입하면
\[ f(0) = 0 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이고, 한편 식 ㉠의 양변을 \(x\)에 대하여 미분하면
\[ f'(x) + \int_0^x f'(t)\,dt + xf'(x) - xf'(x) = 3x^2 + a \]
\[ f'(x) + f(x) - f(0) = 3x^2 + a \]
\[ \therefore\ f'(x) + f(x) = 3x^2 + a \quad (\because\ f(0)=0) \qquad \cdots\cdots\ \text{㉢} \]
이다.
식 ㉢으로부터 \(f(x)\)는 이차함수이다. 식 ㉡을 이용하면
\[ f(x) = px^2 + qx \quad (\text{단, } p, q\text{는 상수}) \]
이고, 식 ㉢으로부터
\[ (2px + q) + (px^2 + qx) = 3x^2 + a \]
\[ px^2 + (2p + q)x + q = 3x^2 + a \]
\[ \therefore\ p = 3, \quad 2p + q = 0 \ \Longrightarrow\ q = -6, \quad a = q = -6 \]
이다. 따라서 정리하면
\[ f(x) = 3x^2 - 6x, \quad g(x) = x^3 - 6x \]
이므로
\[ f(1) + g(1) = (-3) + (-5) = -8 \]
이다.
\[ \therefore\ -8 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\log_a x = t\)일 때, \(f(x) = |t^2 - 5t + 5|\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(g(t) = t^2 - 5t + 5\)일 때, 방정식 \(|g(t)|=1\)의 근을 모두 구하면 \(t=1,\ 2,\ 3,\ 4\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| 부등식 \(|g(t)| \ge 1\)을 풀면 \(t \le 1,\ 2 \le t \le 3,\ t \ge 4\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(2 \le x \le 4\)일 때, \(\log_a 2 \le t \le \log_a 4\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| 문제에서의 조건을 만족시키는 \(a\)의 값 중 자연수를 작은 수부터 나열하면 \(4,\ 5,\ 6,\ 7,\ 8,\ \cdots\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(\displaystyle\sum_{n=1}^5 a_n = 30\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
\(\log_a x = t\)라 하면
\[ f(x) = \left| (\log_a x)^2 - 5\log_a x + 5 \right| = |t^2 - 5t + 5| \]
이다. 이때 \(g(t) = t^2 - 5t + 5\)라 하자. 방정식 \(g(t) = 0\)의 근을 \(\alpha,\ \beta\)라 하면, 함수 \(y = |g(t)|\)의 그래프는 다음 그림과 같다.
두 방정식
\[ \begin{aligned} g(t) = t^2 - 5t + 5 = 1 &\quad \therefore\ t = 1,\ 4 \\ g(t) = t^2 - 5t + 5 = -1 &\quad \therefore\ t = 2,\ 3 \end{aligned} \]
의 근으로부터 다음 그림과 같이 나타낼 수 있고, 부등식 \(|g(t)| \ge 1\)을 풀면
\[ t \le 1, \quad 2 \le t \le 3, \quad t \ge 4 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다.
한편, \(a > 1\)이므로 \(2 \le x \le 4\)일 때
\[ \log_a 2 \le t \le \log_a 4 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이다.
부등식 ㉡을 만족시키는 \(t\)가 항상 부등식 ㉠을 만족시키기 위해서는 다음 세 가지 중에 한 가지가 성립되어야 한다.
(ⅰ) \(\log_a 4 \le 1\), 즉 \(a \ge 4\)
(ⅱ) \(2 \le \log_a 2\)이고 \(\log_a 4 \le 3\), 즉 \(a \le \sqrt{2}\)이고 \(a \ge \sqrt[3]{4}\)
(이 경우, \(\sqrt{2} \lt \sqrt[3]{4}\)이므로 만족시키는 \(a\)가 없다.)
(ⅲ) \(4 \le \log_a 2\), 즉 \(a \le \sqrt[4]{2}\)
(이 경우, \(\sqrt[4]{2} \lt 2\)이므로 만족시키는 \(1\)보다 큰 자연수 \(a\)가 없다.)
위의 결과 (ⅰ)~(ⅲ)으로부터 문제에서의 수열 \(\{a_n\}\)은
\[ a_n = 3 + n \]
이고, 따라서 문제에서 구하고자 하는 값은
\[ \sum_{n=1}^5 a_n = 4 + 5 + 6 + 7 + 8 = 30 \]
이다.
\[ \therefore\ \sum_{n=1}^5 a_n = 30 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| [10-(1)] \(g'(x) = |f(x)| - |x|\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| [10-(1)] \(|Q(2)|=1,\ |Q(6)|=1\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| [10-(1)] \(Q(2) + Q(6) = 0\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| [10-(2)] \(f(x) = \frac{1}{4}x^3 - \frac{3}{2}x^2 + x\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| [10-(2)] 함수 \(f(x)\)가 극값을 갖는 두 점 \(x\)의 합이 \(4\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
(1) \(f(x) = x Q(x)\)라 할 때, \(Q(2) + Q(6)\)의 값을 구하시오. (8점)
[풀이] \(f(0) = 0\)이고 \(f(x)\)는 삼차함수이므로
\[ f(x) = x Q(x) \quad (\text{단, } Q(x)\text{는 이차식}) \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. 한편, \(g(x) = \displaystyle\int_0^x (|f(t)| - |t|)\,dt\)이므로
\[ g'(x) = |f(x)| - |x| = |x Q(x)| - |x| = |x|(|Q(x)| - 1) \]
이다. 조건 (가)로부터 함수 \(g(x)\)는 \(x=2,\ x=6\)에서 극값을 가지므로 \(g'(2) = 0, \ g'(6) = 0\)이고, 따라서
\[ |Q(2)| = 1, \quad |Q(6)| = 1 \]
이다.
조건 (나)에서 \(f(2) \lt 0\)을 이용하면 \(f(2) = 2Q(2) \lt 0\)이므로
\[ Q(2) \lt 0 \quad \Longrightarrow \quad Q(2) = -1 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이다. 또한, 조건 (나)에서 \(f(6) > 0\)을 이용하면 \(f(6) = 6Q(6) > 0\)이므로
\[ Q(6) > 0 \quad \Longrightarrow \quad Q(6) = 1 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉢} \]
이다. ㉡과 ㉢으로부터
\[ Q(2) + Q(6) = (-1) + 1 = 0 \]
이다.
\[ \therefore\ Q(2) + Q(6) = 0 \]
(2) 함수 \(f(x)\)가 \(x = \alpha\)와 \(x = \beta\)에서 극값을 가질 때, \(\alpha + \beta\)의 값을 구하시오. (8점)
[풀이] 식 ㉠으로부터
\[ f'(x) = Q(x) + x Q'(x) \]
이므로 \(f'(0) = Q(0)\)이다. 조건 (다)에서 \(f'(0) = 1\)이므로
\[ Q(0) = 1 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉣} \]
이다. 따라서 ㉡, ㉢, ㉣을 만족시키는 이차함수 \(Q(x) = Ax^2 + Bx + C\)를 구하면
\[ Q(0) = C = 1 \]
\[ Q(2) = 4A + 2B + 1 = -1 \quad \Longrightarrow \quad 2A + B = -1 \]
\[ Q(6) = 36A + 6B + 1 = 1 \quad \Longrightarrow \quad 6A + B = 0 \]
연립하면 \(4A = 1 \ \Longrightarrow\ A = \frac{1}{4}, \ B = -\frac{3}{2}\)이므로
\[ Q(x) = \frac{1}{4}x^2 - \frac{3}{2}x + 1 \]
이고, 식 ㉠으로부터
\[ f(x) = \frac{1}{4}x^3 - \frac{3}{2}x^2 + x \]
이다. 함수 \(f(x)\)가 극값을 갖는 \(\alpha,\ \beta\)는
\[ f'(x) = \frac{3}{4}x^2 - 3x + 1 = 0 \]
의 두 근이므로, 근과 계수의 관계에 의하여
\[ \alpha + \beta = -\frac{-3}{\frac{3}{4}} = 4 \]
이다.
\[ \therefore\ (1)\ 0 \qquad (2)\ 4 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(M=2,\ m=\frac{5}{4}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(a+b=\frac{3}{2}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
함수 \(f(x)=\left(\frac{1}{2}\right)^{x}+1\)은 정의역 \(\{x \mid 0\le x\le 2\}\)에서 감소하므로 \(x=0\)에서 최댓값, \(x=2\)에서 최솟값을 갖는다. 따라서
\[ M=f(0)=2,\quad m=f(2)=\frac{5}{4} \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. 한편 \(a>1\)이므로 함수 \(g(x)\)도 정의역 \(\{x \mid 0\le x\le 1\}\)에서 감소하고, 따라서 \(x=0\)에서 최댓값, \(x=1\)에서 최솟값을 갖는다. 즉
\[ -m=g(0)=-1+b,\quad -M=g(1)=-a+b \qquad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이다. ㉠, ㉡으로부터 \(a=\frac{7}{4},\ b=-\frac{1}{4}\)이므로
\[ a+b=\frac{6}{4}=\frac{3}{2} \]
이다.
\[ \therefore\ a+b=\frac{3}{2} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f^{-1}(3)=3\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(\left(f^{-1}\circ f^{-1}\right)(3)=3\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
\(f^{-1}(3)=a\)로 놓으면 역함수의 성질에 따라 \(f(a)=3\)이므로
\[ f(a)=\log_{5}\left(10a^{2}+35\right)=3 \]
이다. 로그의 정의에 의해 \(10a^{2}+35=5^{3}=125\)이고, 따라서
\[ a^{2}=9 \qquad \therefore\ a=3 \quad (\because\ x>0) \]
이다. \(f^{-1}(3)=3\)이므로
\[ \left(f^{-1}\circ f^{-1}\right)(3)=f^{-1}\left(f^{-1}(3)\right)=f^{-1}(3)=3 \]
이다.
\[ \therefore\ \left(f^{-1}\circ f^{-1}\right)(3)=3 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(x>-\frac{3}{5}\)일 때 \(f(x)\le\frac{1}{5}(5x+3)^{2}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(x>-\frac{1}{5}\)일 때 \(\frac{1}{5}(5x+1)^{2}\le f(x)\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\displaystyle\lim_{x\to\infty}\frac{(5x+1)^{2}}{5(7x^{2}+4)}=\frac{5}{7},\ \lim_{x\to\infty}\frac{(5x+3)^{2}}{5(7x^{2}+4)}=\frac{5}{7}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\displaystyle\lim_{x\to\infty}\frac{f(x)}{7x^{2}+4}=\frac{5}{7}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
부등식 \(f\left(\frac{x-3}{5}\right)\le\frac{1}{5}x^{2}\)에서 \(\frac{x-3}{5}=t\)로 놓으면 \(x=5t+3\)이고, \(x>0\)일 때 \(t>-\frac{3}{5}\)이므로
\[ f(t)\le\frac{1}{5}(5t+3)^{2}\quad\left(t>-\frac{3}{5}\right) \qquad\cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. 한편 부등식 \(\frac{1}{5}x^{2}\le f\left(\frac{x-1}{5}\right)\)에서 \(\frac{x-1}{5}=s\)로 놓으면 \(x=5s+1\)이고, \(x>0\)일 때 \(s>-\frac{1}{5}\)이므로
\[ \frac{1}{5}(5s+1)^{2}\le f(s)\quad\left(s>-\frac{1}{5}\right) \qquad\cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이다. ㉠, ㉡으로부터 \(x>-\frac{1}{5}\)인 모든 실수 \(x\)에 대하여
\[ \frac{1}{5}(5x+1)^{2}\le f(x)\le\frac{1}{5}(5x+3)^{2} \]
이고 각 변을 \(7x^{2}+4\)로 나누면
\[ \frac{(5x+1)^{2}}{5(7x^{2}+4)}\le\frac{f(x)}{7x^{2}+4}\le\frac{(5x+3)^{2}}{5(7x^{2}+4)} \]
이다. \(\displaystyle\lim_{x\to\infty}\frac{(5x+1)^{2}}{5(7x^{2}+4)}=\frac{5}{7},\ \lim_{x\to\infty}\frac{(5x+3)^{2}}{5(7x^{2}+4)}=\frac{5}{7}\)이므로 함수의 극한의 대소 관계에 의해
\[ \lim_{x\to\infty}\frac{f(x)}{7x^{2}+4}=\frac{5}{7} \]
이다.
\[ \therefore\ \frac{5}{7} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(2)=3,\ f'(2)=-3\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(g'(x)=\frac{3}{8}x^{2}f(x)+\frac{1}{8}x^{3}f'(x)\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| 직선 \(m\)의 방정식이 \(y=-\frac{2}{3}x+\frac{13}{3}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| 삼각형의 넓이가 \(\frac{21}{4}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
곡선 \(y=f(x)\) 위의 점 \((2,\ f(2))\)에서의 접선의 방정식이 \(y=-3x+9\)이므로
\[ f(2)=3,\quad f'(2)=-3 \]
이다. 한편 \(g(x)=\frac{1}{8}x^{3}f(x)\)에서
\[ g'(x)=\frac{3}{8}x^{2}f(x)+\frac{1}{8}x^{3}f'(x) \]
이므로
\[ \begin{aligned} g(2)&=\frac{1}{8}\times 8\times f(2)=3,\\ g'(2)&=\frac{3}{8}\times 4\times f(2)+\frac{1}{8}\times 8\times f'(2)=\frac{9}{2}-3=\frac{3}{2} \end{aligned} \]
이다. 따라서 곡선 \(y=g(x)\) 위의 점 \((2,\ g(2))\)를 지나고 이 점에서의 접선에 수직인 직선 \(m\)의 방정식은
\[ y=-\frac{2}{3}(x-2)+3=-\frac{2}{3}x+\frac{13}{3} \]
이다. 직선 \(l\)의 방정식 \(y=-3x+9\)와 직선 \(m\)의 방정식 \(y=-\frac{2}{3}x+\frac{13}{3}\)으로부터 직선 \(l\)의 \(x\)절편은 \(3\), 직선 \(m\)의 \(x\)절편은 \(\frac{13}{2}\), 두 직선 \(l,\ m\)의 교점의 좌표는 \((2,\ 3)\)이므로 두 직선 \(l,\ m\)과 \(x\)축으로 둘러싸인 삼각형의 넓이는
\[ \frac{1}{2}\times\left(\frac{13}{2}-3\right)\times 3=\frac{21}{4} \]
이다.
\[ \therefore\ \frac{21}{4} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\sin\theta\ge 0\)일 때 조건을 만족시키기 위해서는 \(\sin\theta=\frac{1}{2}\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(\sin\theta\lt 0\)일 때 조건을 만족시키는 \(\theta\)가 존재하지 않음을 구할 수 있다. | 3점 |
| 모든 실수 \(\theta\)의 값의 합이 \(\pi\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(\cos^{2}\theta=1-\sin^{2}\theta\)이므로
\[ \begin{aligned} f(x)&=(x-\sin\theta)^{2}+\cos^{2}\theta-\sin\theta+1-\sin^{2}\theta\\ &=(x-\sin\theta)^{2}-2\sin^{2}\theta-\sin\theta+2 \end{aligned} \]
이다.
① 만약 \(\sin\theta\ge 0\)이라면, \(x\ge 0\)일 때 함수 \(f(x)\)의 최솟값은 \(f(\sin\theta)=-2\sin^{2}\theta-\sin\theta+2\)이므로
\[ -2\sin^{2}\theta-\sin\theta+2=1 \qquad \therefore\ \sin\theta=\frac{1}{2}\quad(\because\ \sin\theta\ge 0) \]
그러므로 실수 \(\theta\ (0\le\theta\lt 2\pi)\)는 \(\theta=\frac{\pi}{6},\ \frac{5\pi}{6}\)이다.
② 만약 \(\sin\theta\lt 0\)이라면, \(x\ge 0\)일 때 함수 \(f(x)\)의 최솟값은 \(f(0)=-\sin^{2}\theta-\sin\theta+2\)이므로
\[ -\sin^{2}\theta-\sin\theta+2=1 \qquad \therefore\ \sin\theta=\frac{-1\pm\sqrt{5}}{2} \]
그러나 \(-1\le\sin\theta\lt 0\)이어야 하므로 조건을 만족시키는 실수 \(\theta\ (0\le\theta\lt 2\pi)\)는 존재하지 않는다.
따라서 ①, ②로부터 모든 실수 \(\theta\)의 값의 합은
\[ \frac{\pi}{6}+\frac{5\pi}{6}=\pi \]
이다.
\[ \therefore\ \pi \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(0)=0\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(-2a)=0\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(2a)=0\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(x)=x(x-2a)(x+2a)\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(a=\frac{3}{2}\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
\(f(x)\)는 실수 전체의 집합에서 연속이고 조건 (가)에서 \(f(a)\ne 0\)이므로 함수 \(g(x)\)는 \(x=\pm a\)에서만 연속이 아니다. 따라서 조건 (나)로부터 함수 \(f(x-a)g(x)\)는 \(x=a,\ x=-a\)에서 연속이고 함수 \(f(x)g(x-a)\)는 \(x=2a,\ x=0\)에서 연속이어야 한다. 그러므로
\[ \begin{aligned} &\lim_{x\to a+}f(x-a)g(x)=\lim_{x\to a-}f(x-a)g(x)=f(0)g(a) &&\cdots\ \text{㉠}\\ &\lim_{x\to -a+}f(x-a)g(x)=\lim_{x\to -a-}f(x-a)g(x)=f(-2a)g(-a) &&\cdots\ \text{㉡}\\ &\lim_{x\to 2a+}f(x)g(x-a)=\lim_{x\to 2a-}f(x)g(x-a)=f(2a)g(a) &&\cdots\ \text{㉢}\\ &\lim_{x\to 0+}f(x)g(x-a)=\lim_{x\to 0-}f(x)g(x-a)=f(0)g(-a) &&\cdots\ \text{㉣} \end{aligned} \]
이다.
㉠에서
\[ \begin{aligned} \text{㉠}:\quad & f(0)(-f(a))=f(0)(2f(a))\\ & 3f(0)f(a)=0\\ & \therefore\ f(0)=0\quad(\because\ f(a)\ne 0) \end{aligned} \]
마찬가지로,
\[ \begin{aligned} \text{㉡}:\quad & f(-2a)(2f(a))=f(-2a)(-f(a))\\ & 3f(-2a)f(a)=0\\ & \therefore\ f(-2a)=0\quad(\because\ f(a)\ne 0)\\[4pt] \text{㉢}:\quad & f(2a)(-f(a))=f(2a)(2f(a))\\ & 3f(2a)f(a)=0\\ & \therefore\ f(2a)=0\quad(\because\ f(a)\ne 0)\\[4pt] \text{㉣}:\quad & f(0)(2f(a))=f(0)(-f(a))\\ & 3f(0)f(a)=0\\ & \therefore\ f(0)=0\quad(\because\ f(a)\ne 0) \end{aligned} \]
이다. \(f(0)=0,\ f(2a)=0,\ f(-2a)=0\)을 만족시키는 최고차항의 계수가 \(1\)인 삼차함수 \(f(x)\)는
\[ f(x)=x(x-2a)(x+2a) \]
이다. 따라서 조건 (가)에 의해
\[ f(a)=a(-a)(3a)=-3a^{3}=-\frac{81}{8},\qquad a^{3}=\frac{27}{8} \qquad \therefore\ a=\frac{3}{2} \]
\[ \therefore\ a=\frac{3}{2} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x)=(x-1)^{2}(x-3)=x^{3}-5x^{2}+7x-3\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| 방정식 \(x^{2}-4x+3-f'(k)=0\)이 \(1\)이 아닌 중근을 갖기 위한 조건이 \(f'(k)=-1\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(f'(k)=-1\)일 때 \(k=\frac{4}{3},\ 2\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| 방정식 \(x^{2}-4x+3-f'(k)=0\)의 한 근이 \(1\)이기 위한 조건이 \(f'(k)=0\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(f'(k)=0\)일 때 \(k=\frac{7}{3},\ 1\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| 모든 실수 \(k\)의 값의 합이 \(\frac{20}{3}\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
조건 (가)에서 \(f(1)=0\)이므로
\[ f(x)=(x-1)(x^{2}+ax+b)\quad(\text{단, } a,\ b\text{는 상수}) \qquad\cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. 조건 (나)와 ㉠으로부터 모든 실수 \(x\)에 대하여
\[ (x-3)(x-1)(x^{2}+ax+b)\ge 0 \]
이어야 하므로
\[ x^{2}+ax+b=(x-3)(x-1) \]
이다. 따라서 \(f(x)=(x-1)^{2}(x-3)=x^{3}-5x^{2}+7x-3\)이고, 이를 미분하면
\[ f'(x)=3x^{2}-10x+7 \]
이다.
주어진 방정식 \(f(x)-(x-1)f'(k)=0\)은
\[ (x-1)\left(x^{2}-4x+3-f'(k)\right)=0 \]
이므로 서로 다른 실근의 개수가 \(2\)가 되는 경우는 다음 두 가지뿐이다.
① 방정식 \(x^{2}-4x+3-f'(k)=0\)이 \(1\)이 아닌 중근을 갖는 경우:
이차방정식 \(x^{2}-4x+3-f'(k)=0\)이 중근을 갖기 위해서는 \(f'(k)=-1\)이어야 하므로
\[ f'(k)+1=(3k-4)(k-2)=0 \qquad \therefore\ k=\frac{4}{3},\ 2 \]
이때 방정식 \(x^{2}-4x+3-f'(k)=0\)의 중근은 \(x=2\)이므로 \(1\)이 아닌 중근을 갖는다.
② 방정식 \(x^{2}-4x+3-f'(k)=0\)의 한 근이 \(1\)인 경우:
이차방정식 \(x^{2}-4x+3-f'(k)=0\)의 한 근이 \(1\)이기 위해서는 \(f'(k)=0\)이어야 하므로
\[ f'(k)=(3k-7)(k-1)=0 \qquad \therefore\ k=\frac{7}{3},\ 1 \]
이때 방정식 \(x^{2}-4x+3-f'(k)=0\)의 근은 \(x=1,\ 3\)이다.
따라서 ①, ②로부터 모든 실수 \(k\)의 값의 합은
\[ \frac{4}{3}+2+\frac{7}{3}+1=\frac{20}{3} \]
이다.
\[ \therefore\ \frac{20}{3} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(s_{1}(t)=t^{3}+2t^{2}-20t+3\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(s_{2}(t)=t^{2}+9t+20\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| 두 점 \(\mathrm{P},\ \mathrm{Q}\) 사이의 거리가 처음으로 \(12\)가 되는 시각이 \(t=5\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(\displaystyle\int_{0}^{5}\left|v_{1}(t)\right|dt=123\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
점 \(\mathrm{P}\)는 점 \(\mathrm{A}(3)\)에서 출발하고 수직선 위를 움직이는 속도가 \(v_{1}(t)=3t^{2}+4t-20\)이므로 시각 \(t\)에서의 위치를 \(s_{1}(t)\)라 하면
\[ s_{1}(t)=3+\int_{0}^{t}(3s^{2}+4s-20)\,ds=t^{3}+2t^{2}-20t+3 \qquad\cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. 또한 점 \(\mathrm{Q}\)는 \(\mathrm{B}(20)\)에서 출발하고 수직선 위를 움직이는 속도가 \(v_{2}(t)=2t+9\)이므로 시각 \(t\)에서의 위치를 \(s_{2}(t)\)라 하면
\[ s_{2}(t)=20+\int_{0}^{t}(2s+9)\,ds=t^{2}+9t+20 \qquad\cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이다. 이때 두 점 \(\mathrm{P},\ \mathrm{Q}\) 사이의 거리가 \(12\)가 되는 시각은 \(\left|s_{1}(t)-s_{2}(t)\right|=12\)를 만족시켜야 한다. ㉠, ㉡에서
\[ \left|t^{3}+t^{2}-29t-17\right|=12 \]
\[ \therefore\ t^{3}+t^{2}-29t-17=12\ \ \text{또는}\ \ t^{3}+t^{2}-29t-17=-12 \]
① \(t^{3}+t^{2}-29t-17=12\)일 때
\[ \begin{aligned} & t^{3}+t^{2}-29t-29=0\\ & (t+1)\left(t+\sqrt{29}\right)\left(t-\sqrt{29}\right)=0\\ & \therefore\ t=\sqrt{29}\quad(\because\ t\ge 0) \end{aligned} \]
② \(t^{3}+t^{2}-29t-17=-12\)일 때
\[ \begin{aligned} & t^{3}+t^{2}-29t-5=0\\ & (t-5)\left(t^{2}+6t+1\right)=0\\ & \therefore\ t=5\quad(\because\ t\ge 0) \end{aligned} \]
따라서 ①, ②로부터 두 점 \(\mathrm{P},\ \mathrm{Q}\) 사이의 거리가 처음으로 \(12\)가 되는 시각은 \(t=5\)이다. 한편
\[ v_{1}(t)=3t^{2}+4t-20=(3t+10)(t-2) \]
이므로 \(0\le t\lt 2\)일 때 \(v_{1}(t)\lt 0\)이고, \(t\ge 2\)일 때 \(v_{1}(t)\ge 0\)이다. 그러므로 두 점 \(\mathrm{P},\ \mathrm{Q}\) 사이의 거리가 처음으로 \(12\)가 될 때까지 점 \(\mathrm{P}\)가 움직인 거리, 즉 점 \(\mathrm{P}\)가 시각 \(t=0\)에서 \(t=5\)까지 움직인 거리는
\[ \begin{aligned} \int_{0}^{5}\left|v_{1}(t)\right|dt &= -\int_{0}^{2}v_{1}(t)\,dt+\int_{2}^{5}v_{1}(t)\,dt\\ &= -\int_{0}^{2}\left(3t^{2}+4t-20\right)dt+\int_{2}^{5}\left(3t^{2}+4t-20\right)dt\\ &= -\Big[t^{3}+2t^{2}-20t\Big]_{0}^{2}+\Big[t^{3}+2t^{2}-20t\Big]_{2}^{5}\\ &= 123 \end{aligned} \]
이다.
\[ \therefore\ 123 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| [9-(1)] \(t=\sin\left(x-\frac{\pi}{6}\right)\ \left(-\frac{1}{2}\le t\le\frac{1}{2}\right)\)일 때, \(f(x)=-t^{2}-\frac{1}{2}t+2\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| [9-(1)] \(M=\frac{33}{16}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| [9-(1)] \(m=\frac{3}{2}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| [9-(2)] \(-\frac{a}{2}\le-\frac{1}{2}\)일 때, 순서쌍 \((a,\ b)=\left(8,\ \frac{1}{4}\right)\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| [9-(2)] \(-\frac{a}{2}\ge\frac{1}{2}\)일 때, 순서쌍 \((a,\ b)=\left(-8,\ \frac{1}{4}\right)\)을 구할 수 있다. | 4점 |
(1) \(a=\frac{1}{2},\ b=1\)일 때, \(M\)과 \(m\)의 값을 각각 구하시오. (8점)
[풀이] \(x-\frac{\pi}{6}=\theta\ \left(-\frac{\pi}{6}\le\theta\le\frac{\pi}{6}\right)\)로 놓으면
\[ \cos\left(x+\frac{\pi}{3}\right)=\cos\left(\theta+\frac{\pi}{2}\right)=-\sin\theta,\qquad \cos^{2}\left(x-\frac{\pi}{6}\right)=1-\sin^{2}\theta \]
이므로
\[ f(x)=-\sin^{2}\theta-a\sin\theta+b+1 \]
이다. 이때 \(\sin\theta=t\ \left(-\frac{1}{2}\le t\le\frac{1}{2}\right)\)로 놓으면
\[ f(x)=-t^{2}-at+b+1=-\left(t+\frac{a}{2}\right)^{2}+\frac{a^{2}}{4}+b+1 \qquad\cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이므로, \(a=\frac{1}{2},\ b=1\)일 때
\[ f(x)=-t^{2}-\frac{1}{2}t+2=-\left(t+\frac{1}{4}\right)^{2}+\frac{33}{16} \]
이다. 따라서 함수 \(f(x)\)의 최댓값은 \(t=-\frac{1}{4}\)일 때 \(M=\frac{33}{16}\)이고, 최솟값은 \(t=\frac{1}{2}\)일 때 \(m=\frac{3}{2}\)이다.
(2) \(M=5,\ m=-3\)을 만족시키는 순서쌍 \((a,\ b)\)를 모두 구하시오. (8점)
[풀이] ㉠으로부터 함수 \(g(t)\)를
\[ g(t)=-\left(t+\frac{a}{2}\right)^{2}+\frac{a^{2}}{4}+b+1 \]
라 하자. 함수 \(g(t)\)의 대칭축 \(t=-\frac{a}{2}\)를 기준으로 다음과 같이 경우를 네 가지로 나누어 생각해 보자.
① \(-\frac{a}{2}\le-\frac{1}{2}\) (즉, \(a\ge 1\))일 때,
함수 \(g(t)\)의 최댓값은 \(M=g\left(-\frac{1}{2}\right)\)이고, 최솟값은 \(m=g\left(\frac{1}{2}\right)\)이므로
\[ \frac{a}{2}+b+\frac{3}{4}=5,\qquad -\frac{a}{2}+b+\frac{3}{4}=-3 \]
이다. 이를 연립하면 \(a=8,\ b=\frac{1}{4}\)이다.
② \(-\frac{1}{2}\lt -\frac{a}{2}\le 0\) (즉, \(0\le a\lt 1\))일 때,
함수 \(g(t)\)의 최댓값은 \(M=g\left(-\frac{a}{2}\right)\)이고, 최솟값은 \(m=g\left(\frac{1}{2}\right)\)이므로
\[ \frac{a^{2}}{4}+b+1=5,\qquad -\frac{a}{2}+b+\frac{3}{4}=-3 \qquad\cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이다. ㉡에서 \(b\)를 소거하면
\[ a^{2}+2a-31=0 \qquad \therefore\ a=-1\pm 4\sqrt{2} \]
그러나 이는 조건 \(0\le a\lt 1\)을 만족시키지 못한다.
③ \(0\lt -\frac{a}{2}\lt \frac{1}{2}\) (즉, \(-1\lt a\lt 0\))일 때,
함수 \(g(t)\)의 최댓값은 \(M=g\left(-\frac{a}{2}\right)\)이고, 최솟값은 \(m=g\left(-\frac{1}{2}\right)\)이므로
\[ \frac{a^{2}}{4}+b+1=5,\qquad \frac{a}{2}+b+\frac{3}{4}=-3 \qquad\cdots\cdots\ \text{㉢} \]
이다. ㉢에서 \(b\)를 소거하면
\[ a^{2}-2a-31=0 \qquad \therefore\ a=1\pm 4\sqrt{2} \]
그러나 이는 조건 \(-1\lt a\lt 0\)을 만족시키지 못한다.
④ \(-\frac{a}{2}\ge\frac{1}{2}\) (즉, \(a\le -1\))일 때,
함수 \(g(t)\)의 최댓값은 \(M=g\left(\frac{1}{2}\right)\)이고, 최솟값은 \(m=g\left(-\frac{1}{2}\right)\)이므로
\[ -\frac{a}{2}+b+\frac{3}{4}=5,\qquad \frac{a}{2}+b+\frac{3}{4}=-3 \]
이다. 이를 연립하면 \(a=-8,\ b=\frac{1}{4}\)이다.
따라서 ①, ②, ③, ④에 의해 순서쌍 \((a,\ b)\)는
\[ \left(8,\ \frac{1}{4}\right),\quad \left(-8,\ \frac{1}{4}\right) \]
이다.
\[ \therefore\ (1)\ M=\frac{33}{16},\ m=\frac{3}{2}\qquad (2)\ \left(8,\ \frac{1}{4}\right),\ \left(-8,\ \frac{1}{4}\right) \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| [10-(1)] \(a_{3}=\frac{1}{3}t^{3}\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| [10-(1)] \(b_{3}=\frac{1}{4}(9-t^{2})(t+3)\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| [10-(1)] \(a_{3}+b_{3}\)의 값이 자연수가 되도록 하는 \(t\)의 개수가 \(2\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| [10-(2)] \(a_{n}+b_{n}=\frac{1}{12}t^{3}-\frac{n}{4}t^{2}+\frac{n^{2}}{4}t+\frac{n^{3}}{4}\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| [10-(2)] \(c_{5}=10\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
| [10-(2)] \(c_{6}=17\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
| [10-(2)] \(c_{7}=29\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
| [10-(2)] \(c_{5}+c_{6}+c_{7}=56\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
(1) \(a_{3}+b_{3}\)의 값이 자연수가 되도록 하는 실수 \(t\)의 개수를 구하시오. (8점)
[풀이]
\(n=3\)인 경우에 대하여 \(f'(x)=2x-6\)이므로 접선 \(l_{3}\)의 방정식은
\[ y=(2t-6)(x-t)+f(t) \]
이다. 따라서
\[ \begin{aligned} a_{3}&=\int_{0}^{t}\Big[f(x)-\{(2t-6)(x-t)+f(t)\}\Big]dx\\ &=\left[\frac{x^{3}}{3}-3x^{2}+9x-(2t-6)\left(\frac{1}{2}x^{2}-tx\right)-(t^{2}-6t+9)x\right]_{0}^{t}\\ &=\frac{1}{3}t^{3} \end{aligned} \]
이다.
한편, 접선 \(l_{3}\)의 \(x\)절편과 \(y\)절편은
\[ \begin{aligned} &x\text{절편}:\ (2t-6)(x-t)+f(t)=0 \qquad \therefore\ x=\frac{t+3}{2}\\ &y\text{절편}:\ y=(2t-6)(-t)+f(t) \qquad \therefore\ y=9-t^{2} \end{aligned} \]
이므로
\[ b_{3}=\frac{1}{2}\times\left(9-t^{2}\right)\times\left(\frac{t+3}{2}\right) \]
이다. \(g(t)=a_{3}+b_{3}\)로 놓으면
\[ g(t)=\frac{1}{12}t^{3}-\frac{3}{4}t^{2}+\frac{9}{4}t+\frac{27}{4} \]
이므로
\[ g'(t)=\frac{1}{4}t^{2}-\frac{3}{2}t+\frac{9}{4}=\frac{1}{4}(t-3)^{2} \]
이다. 따라서 \(0\lt t\lt 3\)인 실수 \(t\)에 대하여 \(g'(t)>0\)이므로 함수 \(g(t)\)는 증가한다. \(g(0)=\frac{27}{4}\)이고 \(g(3)=\frac{27}{3}=9\)이므로 \(0\lt t\lt 3\)에서 자연수가 되는 \(g(t)\)의 값은 \(7,\ 8\)이다. 따라서 \(a_{3}+b_{3}\)의 값이 자연수가 되도록 하는 실수 \(t\)의 개수는 \(2\)이다.
(2) \(a_{n}+b_{n}\)의 값이 자연수가 되도록 하는 실수 \(t\)의 개수를 \(c_{n}\)이라 할 때, \(c_{5}+c_{6}+c_{7}\)의 값을 구하시오. (8점)
[풀이] 문항 (1)번과 동일한 과정을 거치면 자연수 \(n\)에 대하여 \(a_{n}\)과 \(b_{n}\)을 다음과 같이 구할 수 있다. \(f'(x)=2x-2n\)이므로 접선 \(l_{n}\)의 방정식은
\[ y=(2t-2n)(x-t)+f(t) \]
이다. 따라서
\[ \begin{aligned} a_{n}&=\int_{0}^{t}\Big[f(x)-\{(2t-2n)(x-t)+f(t)\}\Big]dx\\ &=\left[\frac{x^{3}}{3}-nx^{2}+n^{2}x-(2t-2n)\left(\frac{1}{2}x^{2}-tx\right)-(t^{2}-2nt+n^{2})x\right]_{0}^{t}\\ &=\frac{1}{3}t^{3} \end{aligned} \]
이다. 한편, 접선 \(l_{n}\)의 \(x\)절편과 \(y\)절편은
\[ \begin{aligned} &x\text{절편}:\ (2t-2n)(x-t)+f(t)=0 \qquad \therefore\ x=\frac{t+n}{2}\\ &y\text{절편}:\ y=(2t-2n)(-t)+f(t) \qquad \therefore\ y=n^{2}-t^{2} \end{aligned} \]
이므로
\[ b_{n}=\frac{1}{2}\times\left(n^{2}-t^{2}\right)\times\left(\frac{t+n}{2}\right) \]
이다.
\(g_{n}(t)=a_{n}+b_{n}\)으로 놓으면
\[ g_{n}(t)=\frac{1}{12}t^{3}-\frac{n}{4}t^{2}+\frac{n^{2}}{4}t+\frac{n^{3}}{4} \]
이므로
\[ g_{n}'(t)=\frac{1}{4}t^{2}-\frac{n}{2}t+\frac{n^{2}}{4}=\frac{1}{4}(t-n)^{2} \]
이다. 따라서 \(0\lt t\lt n\)인 실수 \(t\)에 대하여 \(g_{n}'(t)>0\)이므로 함수 \(g_{n}(t)\)는 증가한다.
① \(n=5\)일 때, \(g_{5}(0)=\frac{125}{4}\)이고 \(g_{5}(5)=\frac{125}{3}\)이므로 \(0\lt t\lt 5\)에서 자연수가 되는 \(g_{5}(t)\)의 값은 \(32,\ 33,\ 34,\ \cdots,\ 41\)이다. 그러므로 \(c_{5}=10\)이다.
② \(n=6\)일 때, \(g_{6}(0)=\frac{216}{4}=54\)이고 \(g_{6}(6)=\frac{216}{3}=72\)이므로 \(0\lt t\lt 6\)에서 자연수가 되는 \(g_{6}(t)\)의 값은 \(55,\ 56,\ 57,\ \cdots,\ 71\)이다. 그러므로 \(c_{6}=17\)이다.
③ \(n=7\)일 때, \(g_{7}(0)=\frac{343}{4}\)이고 \(g_{7}(7)=\frac{343}{3}\)이므로 \(0\lt t\lt 7\)에서 자연수가 되는 \(g_{7}(t)\)의 값은 \(86,\ 87,\ 88,\ \cdots,\ 114\)이다. 그러므로 \(c_{7}=29\)이다.
따라서 ①, ②, ③으로부터
\[ c_{5}+c_{6}+c_{7}=10+17+29=56 \]
이다.
\[ \therefore\ (1)\ 2\qquad (2)\ c_{5}+c_{6}+c_{7}=56 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \((abc)^n = 5^{\frac{n}{2}} \times 7^{\frac{n}{4}} \times 13^{\frac{n}{9}}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(n\)의 최솟값은 \(36\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(a^2 = 5\)에서 \(a = 5^{\frac{1}{2}}\), \(b^4 = 7\)에서 \(b = 7^{\frac{1}{4}}\), \(c^9 = 13\)에서 \(c = 13^{\frac{1}{9}}\)이므로
\[ (abc)^n = 5^{\frac{n}{2}} \times 7^{\frac{n}{4}} \times 13^{\frac{n}{9}} \]
이다.
\((abc)^n\)이 자연수가 되기 위해서는 자연수 \(n\)이 \(2\), \(4\), \(9\)의 공배수여야 한다.
따라서 \(n\)의 최솟값은 \(2\), \(4\), \(9\)의 최소공배수인 \(36\)이다.
\[ \therefore\ 36 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\log_3 2 \times \log_4 a = -1\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(a = \frac{1}{9}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
두 직선 \(y=(\log_3 2)x\), \(y=(\log_4 a)x\)가 서로 수직이므로 기울기의 곱이 \(-1\)이다. 즉,
\[ \log_3 2 \times \log_4 a = -1 \]
\[ \log_3 2 \times \frac{\log_3 a}{\log_3 4} = -1 \]
\[ \log_3 2 \times \frac{\log_3 a}{2\log_3 2} = -1 \]
\[ \log_3 a = -2 \]
\[ a = 3^{-2} = \frac{1}{9} \]
이다.
\[ \therefore\ a = \frac{1}{9} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(b = 8 - 2a\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(a = 12\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(a - b = 28\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
함수 \(f(x)\)는 \(x=2\)에서 연속이므로 \(f(2) = \lim_{x \to 2^-} f(x) = \lim_{x \to 2^+} f(x)\)가 성립한다. 따라서
\[ 2a + b = 2^3 = 8 \quad \Longrightarrow \quad b = 8 - 2a \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. \(x=2\)에서 미분계수가 존재하므로
\[ \lim_{x \to 2^-} \frac{f(x)-f(2)}{x-2} = \lim_{x \to 2^+} \frac{f(x)-f(2)}{x-2} \]
이고, \(\lim_{x \to 2^-} \frac{(ax+b)-8}{x-2} = \lim_{x \to 2^+} \frac{x^3-8}{x-2}\)에 ㉠을 대입하면
\[ \lim_{x \to 2^-} \frac{ax-2a}{x-2} = \lim_{x \to 2^-} \frac{a(x-2)}{x-2} = \lim_{x \to 2^+} \frac{(x-2)(x^2+2x+4)}{x-2} \]
\[ a = \lim_{x \to 2^+} (x^2+2x+4) = 4 + 4 + 4 = 12 \]
이다. 이 값을 ㉠에 대입하면
\[ b = 8 - 2(12) = -16 \]
을 얻는다. 따라서
\[ a - b = 12 - (-16) = 28 \]
이다.
\[ \therefore\ 28 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 함수 \(f(x)\)는 \(x=\frac{2\pi}{9}\)일 때 최댓값이 \(7\)이고, \(x=b\)일 때 최솟값이 \(1\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(a = \sqrt{3}\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(b = -\frac{2\pi}{9}\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
함수 \(f(x) = 4 + a\tan\left(\frac{3}{2}x\right)\)의 그래프의 주기는 \(\frac{\pi}{3/2} = \frac{2\pi}{3}\)이다.
함수 \(f(x)\)가 닫힌구간 \(\left[b, \ \frac{2\pi}{9}\right]\)에서 최댓값과 최솟값을 가지므로
\[ -\frac{\pi}{3} \lt b \lt \frac{2\pi}{9} \]
이다. 한편, \(a>0\)이므로 함수 \(f(x)\)의 그래프는 닫힌구간 \(\left[b, \ \frac{2\pi}{9}\right]\)에서 증가한다.
따라서 함수 \(f(x)\)는 \(x=\frac{2\pi}{9}\)일 때 최댓값 \(7\)을 갖고, \(x=b\)일 때 최솟값 \(1\)을 갖는다.
\[ f\left(\frac{2\pi}{9}\right) = 4 + a\tan\frac{\pi}{3} = 4 + \sqrt{3}a = 7 \quad \Longrightarrow \quad a = \sqrt{3} \]
이므로 \(f(x) = 4 + \sqrt{3}\tan\left(\frac{3}{2}x\right)\)이다.
\[ f(b) = 4 + \sqrt{3}\tan\frac{3b}{2} = 1 \quad \Longrightarrow \quad \tan\frac{3b}{2} = -\sqrt{3} \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이 성립한다. 이때 \(-\frac{\pi}{3} \lt b \lt \frac{2\pi}{9}\)이므로
\[ -\frac{\pi}{2} \lt \frac{3b}{2} \lt \frac{\pi}{3} \qquad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이다. ㉠, ㉡으로부터 \(\frac{3b}{2} = -\frac{\pi}{3}\)이므로 \(b = -\frac{2\pi}{9}\)이다.
\[ \therefore\ a = \sqrt{3}, \quad b = -\frac{2\pi}{9} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(0) = 0\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(f'(0) = -12\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(f(x) = -x^3 + 6x^2 - 12x\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(2) = -8\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
\(f(x) = ax^3 + bx^2 + cx + d\)라 하자.
조건 (가)로부터 \(x \to 0\)일 때 (분모)\(\to 0\)이므로 (분자)\(\to 0\)이어야 한다. 즉 \(f(0)=0\)이므로 \(d=0\)이다.
그러므로 \(\lim_{x \to 0} \frac{f(x)}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{f(x)-f(0)}{x-0} = f'(0)\)이고, 따라서
\[ f'(0) = -12 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. \(f'(x) = 3ax^2 + 2bx + c\)이므로 조건 (나)로부터 점 \((2, 0)\)에서 \(x\)축에 접하므로
\[ 3ax^2 + 2bx + c = 3a(x-2)^2 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이다. ㉠으로부터 \(x=0\)을 대입하면 \(3a(0-2)^2 = 12a = -12 \ \Longrightarrow\ a = -1\)이다.
㉡으로부터 \(3a(x-2)^2 = -3(x^2 - 4x + 4) = -3x^2 + 12x - 12\)이므로
\[ 2b = 12 \ \Longrightarrow\ b = 6, \quad c = -12 \]
이다. 그러므로 \(f(x) = -x^3 + 6x^2 - 12x\)이고,
\[ f(2) = -(2)^3 + 6(2)^2 - 12(2) = -8 + 24 - 24 = -8 \]
이다.
\[ \therefore\ f(2) = -8 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(a = 0\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(x) = 2x^4 - 3x^2 - x\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(\int_0^1 f(x)\,dx = -\frac{11}{10}\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
주어진 식
\[ \int_0^x (2t^4 + at^2 + bt)\,dt = \int_0^x (2t + f(t))\,dt + x^3 + a \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
의 양변에 \(x=0\)을 대입하면
\[ \int_0^0 (2t^4 + at^2 + bt)\,dt = \int_0^0 (2t + f(t))\,dt + 0^3 + a \]
이므로 \(a=0\)이다. ㉠의 양변을 \(x\)에 대하여 미분하면
\[ 2x^4 + bx = 2x + f(x) + 3x^2 \]
이므로
\[ f(x) = 2x^4 - 3x^2 + (b-2)x \]
이다. \(f(1) = 2 - 3 + (b-2) = -2\)이므로 \(b-3 = -2 \ \Longrightarrow\ b=1\)이고,
\[ f(x) = 2x^4 - 3x^2 - x \]
이다. 따라서
\[ \int_0^1 f(x)\,dx = \int_0^1 (2x^4 - 3x^2 - x)\,dx = \left[ \frac{2}{5}x^5 - x^3 - \frac{1}{2}x^2 \right]_0^1 = \frac{2}{5} - 1 - \frac{1}{2} = -\frac{11}{10} \]
이다.
\[ \therefore\ -\frac{11}{10} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(a) - 1 = 0\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(x) = k(x+2)(x+1)(x-1) + 1\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(k = 2\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(3) = 81\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
조건 (가)로부터 \(x \to a\)일 때 \((x-a) \to 0\)이므로 극한값이 존재하기 위해서는 \((xf(x)-a) \to 0\)이어야 한다. 즉,
\[ af(a) - a = 0 \quad \Longrightarrow \quad a(f(a)-1) = 0 \]
이다. 집합 \(\{-2, -1, 1\}\)의 모든 원소 \(a\)는 \(a \neq 0\)이므로 \(f(a) - 1 = 0\)이다.
따라서 삼차함수 \(f(x)\)에 대하여
\[ f(x) - 1 = k(x+2)(x+1)(x-1) \quad (\text{단, } k\text{는 상수}, \ k \neq 0) \]
즉, \(f(x) = k(x+2)(x+1)(x-1) + 1\)이다.
조건 (나)로부터
\[ \lim_{x \to 2} \frac{f(x)}{x-1} = \frac{k(2+2)(2+1)(2-1) + 1}{2-1} = 12k + 1 = 25 \]
\[ 12k = 24 \quad \therefore\ k = 2 \]
이다. 그러므로 \(f(x) = 2(x+2)(x+1)(x-1) + 1\)이고,
\[ f(3) = 2(3+2)(3+1)(3-1) + 1 = 2 \times 5 \times 4 \times 2 + 1 = 81 \]
이다.
\[ \therefore\ f(3) = 81 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x)=3\) 또는 \(f(x)=2x\) 또는 \(f(x)=-2x\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(x) = \begin{cases} |2x| & (|x| \le \frac{3}{2}) \\ 3 & (|x| > \frac{3}{2}) \end{cases}\)임을 구할 수 있다. | 5점 |
| \(f(-1) = 2\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
| \(f(0) = 0\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
| \(f\left(\frac{11}{4}\right) = 3\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
| \(f(-1) + f(0) + f\left(\frac{11}{4}\right) = 5\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
\((f(x))^3 - 3(f(x))^2 - 4x^2 f(x) + 12x^2 = 0\)에서 인수분해하면
\[ (f(x))^2 (f(x)-3) - 4x^2 (f(x)-3) = (f(x)-3)(f(x)-2x)(f(x)+2x) = 0 \]
을 얻을 수 있다. 따라서 각 점 \(x\)에서 \(f(x)=3\) 또는 \(f(x)=2x\) 또는 \(f(x)=-2x\)이다.
위 식으로부터 \(x=0\)일 때 \(f(0)=3\) 또는 \(f(0)=0\)이 성립한다.
(i) \(f(0)=3\)인 경우:
함수 \(f(x)\)가 실수 전체의 집합에서 연속이고 최댓값이 \(3\)이므로 \(f(x)=3\)이 된다. 그러나 최솟값이 \(0\)이 아니므로 주어진 조건을 만족시키지 못한다.
(ii) \(f(0)=0\)인 경우:
함수 \(f(x)\)가 실수 전체의 집합에서 연속이고 최솟값이 \(0\), 최댓값이 \(3\)이므로
\[ f(x) = \begin{cases} |2x| & \left(|x| \le \frac{3}{2}\right) \\[4pt] 3 & \left(|x| > \frac{3}{2}\right) \end{cases} \]
이다.
(i), (ii)에서 함수 \(y=f(x)\)의 그래프는 다음과 같다.
따라서
\[ f(-1) = |2(-1)| = 2, \quad f(0) = 0, \quad f\left(\frac{11}{4}\right) = 3 \quad \left(\because\ \frac{11}{4} > \frac{3}{2}\right) \]
이므로
\[ f(-1) + f(0) + f\left(\frac{11}{4}\right) = 2 + 0 + 3 = 5 \]
이다.
\[ \therefore\ 5 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| [9-(1)] \(a_6 = 2, \ a_7 = \frac{5}{2}, \ a_8 = 4, \ a_9 = \frac{5}{4}, \ a_{10} = \frac{3}{2}, \ a_{11} = 2\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| [9-(1)] \(2\displaystyle\sum_{k=6}^{27} a_k = 99\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| [9-(2)] \((a_1, a_2) = \left(2, \frac{5}{2}\right)\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| [9-(2)] 또는 \((a_1, a_2) = \left(\frac{7}{4}, \frac{5}{2}\right)\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| [9-(2)] 또는 \((a_1, a_2) = \left(\frac{33}{32}, \frac{17}{16}\right)\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| [9-(2)] 최댓값이 \(\frac{9}{2}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| [9-(2)] 최솟값이 \(\frac{67}{32}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
(1) \(\displaystyle 2\sum_{k=6}^{27} a_k\)의 값을 구하시오. (6점)
[풀이] \(a_6 = 2\)이므로 정의에 따라 순차적으로 구하면
\[ \begin{aligned} a_6 = 2 &\ \Longrightarrow\ a_7 = \frac{5}{2} \ \Longrightarrow\ a_8 = 2\left(\frac{5}{2}\right)-1 = 4 \\[4pt] &\ \Longrightarrow\ a_9 = \frac{5}{4} \ \Longrightarrow\ a_{10} = 2\left(\frac{5}{4}\right)-1 = \frac{3}{2} \ \Longrightarrow\ a_{11} = 2\left(\frac{3}{2}\right)-1 = 2 \end{aligned} \]
이다. 따라서 수열 \(\{a_n\}\)은 주기 \(5\)로 반복되며, 모든 자연수 \(n\)에 대하여
\[ a_{5n+1} = 2, \quad a_{5n+2} = \frac{5}{2}, \quad a_{5n+3} = 4, \quad a_{5n+4} = \frac{5}{4}, \quad a_{5n+5} = \frac{3}{2} \]
이다.
\(k=6\)부터 \(27\)까지 총 \(22\)개의 항은 주기 \(5\)가 \(4\)회 반복되고 앞의 \(2\)개 항(\(a_{26}=a_6=2, \ a_{27}=a_7=\frac{5}{2}\))이 더해지므로
\[ \begin{aligned} 2\sum_{k=6}^{27} a_k &= 2 \times \left\{ 4 \times \left(2 + \frac{5}{2} + 4 + \frac{5}{4} + \frac{3}{2}\right) + 2 + \frac{5}{2} \right\} \\[6pt] &= 2 \times \left\{ 4 \times \frac{45}{4} + \frac{9}{2} \right\} = 2 \times \left(45 + \frac{9}{2}\right) = 90 + 9 = 99 \end{aligned} \]
이다.
\[ \therefore\ (1)\ 99 \]
(2) \(a_1 + a_2\)의 최댓값과 최솟값을 각각 구하시오. (10점)
[풀이] \(a_5\)가 정수이면 \(a_6 = \frac{5}{a_5} = 2\)에서 \(a_5 = \frac{5}{2}\)이므로 모순이다. 따라서 \(a_5\)는 정수가 아니고, \(a_6 = 2a_5 - 1 = 2\)에서 \(a_5 = \frac{3}{2}\)이다.
이와 같은 과정을 반복하면 \(a_4 = \frac{5}{4}\)이다. 계속해서 \(a_3\)이 정수이면 \(a_4 = \frac{5}{a_3} = \frac{5}{4}\)에서 \(a_3 = 4\)이고, \(a_3\)이 정수가 아니면 \(a_4 = 2a_3 - 1 = \frac{5}{4}\)에서 \(a_3 = \frac{9}{8}\)이다.
이를 반복하여 역추적하면 아래의 수형도와 같다.
가능한 순서쌍 \((a_1, a_2)\)는
\[ (a_1, a_2) = \left(2, \frac{5}{2}\right), \quad \left(\frac{7}{4}, \frac{5}{2}\right), \quad \left(\frac{33}{32}, \frac{17}{16}\right) \]
이다. 따라서 \(a_1 + a_2\)의 최댓값은 \(2 + \frac{5}{2} = \frac{9}{2}\)이고, 최솟값은 \(\frac{33}{32} + \frac{17}{16} = \frac{67}{32}\)이다.
\[ \therefore\ \text{최댓값: } \frac{9}{2}, \quad \text{최솟값: } \frac{67}{32} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| [10-(1)] \(y=|f(x)|\)의 그래프의 개형을 그릴 수 있다. | 3점 |
| [10-(1)] \(g(1) = 6\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| [10-(2)] \(f(0) = k \lt 4-k = -f(2)\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| [10-(2)] \(y=|f(x)|\)의 그래프의 개형을 그릴 수 있다. | 3점 |
| [10-(2)] \(g(t)\)는 \(t=0, \ k, \ 4-k\)에서 불연속임을 구할 수 있다. | 4점 |
| [10-(2)] 모든 실수 \(a\)의 값의 합이 \(4\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
(1) \(k=2\)일 때, \(g(1)\)의 값을 구하시오. (6점)
[풀이] \(k=2\)일 때 함수 \(f(x)\)는
\[ f(x) = \begin{cases} -x^2+6x+2 = -(x-3)^2+11 & (x \lt 0) \\[4pt] x^2-4x+2 = (x-2)^2-2 & (x \ge 0) \end{cases} \]
이고 \(f(0)=2, \ f(2)=-2\)이다. 함수 \(y=|f(x)|\)의 그래프와 직선 \(y=1\)의 교점을 구하기 위해 그래프의 개형을 파악한다.
함수 \(y=|f(x)|\)의 그래프는 다음과 같다.
함수 \(y=|f(x)|\)의 그래프와 직선 \(y=1\)이 만나는 점의 개수는 그림과 같이 \(6\)개이므로
\[ g(1) = 6 \]
이다.
\[ \therefore\ (1)\ 6 \]
(2) \(0 \lt k \lt 2\)일 때, 함수 \(g(t)\)가 \(t=a\)에서 불연속인 모든 실수 \(a\)의 값의 합을 구하시오. (10점)
[풀이] \(0 \lt k \lt 2\)일 때 \(f(x) = \begin{cases} -(x-3)^2+k+9 & (x \lt 0) \\[4pt] (x-2)^2+k-4 & (x \ge 0) \end{cases}\) 이고, \(f(0) = k \lt 4-k = -f(2)\)이므로 함수 \(y=|f(x)|\)의 그래프는 다음 그림과 같다.
정리하면 교점의 개수 함수 \(g(t)\)는 다음과 같다.
\[ g(t) = \begin{cases} 0 & (t \lt 0) \\ 3 & (t = 0) \\ 6 & (0 \lt t \lt k) \\ 5 & (t = k) \\ 4 & (k \lt t \lt 4-k) \\ 3 & (t = 4-k) \\ 2 & (t > 4-k) \end{cases} \]
이때 \(g(t)\)는 \(t=0, \ k, \ 4-k\)에서 불연속이다. 따라서 불연속이 되는 모든 실수 \(a\)의 값의 합은
\[ 0 + k + (4-k) = 4 \]
이다.
\[ \therefore\ 4 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(b = 6\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(a + b = 9\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
함수 \(y=3^{x-2}+3\)의 그래프는 함수 \(y=3^x\)의 그래프를 \(x\)축의 방향으로 \(2\)만큼, \(y\)축의 방향으로 \(3\)만큼 평행이동한 것이므로 점근선의 방정식은 \(y=3\)이다.
점 \((a, b)\)와 직선 \(y=3\) 사이의 거리가 \(3\)이고, \(b>3\)이므로 \(b-3=3\)에서 \(b=6\)이다.
이때 점 \((a, 6)\)은 함수 \(y=3^{x-2}+3\)의 그래프 위에 있으므로
\[ 6 = 3^{a-2}+3 \quad \Longrightarrow \quad 3^{a-2} = 3 \quad \therefore\ a-2=1 \ \Longrightarrow\ a=3 \]
이다. 따라서 \(a=3\)이고, \(a+b = 3 + 6 = 9\)이다.
\[ \therefore\ a+b = 9 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 직선 \(y = (\log_2 b - \log_2 a)x + \log_2 a\)를 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\frac{b^3}{a^2} = 4\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
두 점 \((0, \log_2 a)\), \((1, \log_2 b)\)를 지나는 직선의 방정식은
\[ y = \frac{\log_2 b - \log_2 a}{1-0}(x-0) + \log_2 a = (\log_2 b - \log_2 a)x + \log_2 a \]
이다. 이 직선이 점 \((3, 2)\)를 지나므로
\[ 2 = 3(\log_2 b - \log_2 a) + \log_2 a \]
\[ 2 = 3\log_2 b - 2\log_2 a = \log_2 \frac{b^3}{a^2} \]
\[ \frac{b^3}{a^2} = 2^2 = 4 \]
이다.
\[ \therefore\ \frac{b^3}{a^2} = 4 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(g(x) = x^3 - 12x\)라 할 때, \(g'(x)=0\)의 해 \(x=-2\) 또는 \(x=2\)를 구할 수 있다. | 2점 |
| \(g(-2) = 16, \ g(2) = -16\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(y = f(x) = |g(x)|\)의 그래프의 개형을 그릴 수 있다. | 2점 |
| \(k = 16\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(g(x) = x^3 - 12x\)라 하면,
\[ g'(x) = 3x^2 - 12 = 3(x+2)(x-2) \]
이므로 \(g'(x)=0\)의 해는 \(x=-2\) 또는 \(x=2\)이다.
따라서 함수 \(g(x)\)의 극댓값은 \(g(-2) = (-2)^3 - 12(-2) = 16\), 극솟값은 \(g(2) = 2^3 - 12(2) = -16\)이므로 함수 \(f(x) = |g(x)| = |x^3 - 12x|\)의 그래프는 다음과 같다.
방정식 \(f(x)=k\)의 서로 다른 실근의 개수가 \(4\)가 되기 위해서는 그림과 같이 함수 \(y=f(x)\)의 그래프와 직선 \(y=k\)가 서로 다른 네 점에서 만나야 하므로
\[ k = f(2) = |g(2)| = 16 \]
이다.
\[ \therefore\ k = 16 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 4^-} f(x)\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(4a + b = 24\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(2a + b = 32\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(f(15) = \frac{28}{5}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
함수 \(f(x)\)가 실수 전체에서 연속이므로 \(x=0\)에서 연속이다. 즉 \(f(0) = \lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 0^+} f(x)\)이다. 이때 주기성 \(f(x+4)=f(x)\)에 의해 \(\lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 4^-} f(x)\)이므로
\[ \lim_{x \to 4^-} \frac{ax+b}{x+2} = \frac{4a+b}{6} = f(0) = 4 \ \Longrightarrow\ 4a+b = 24 \quad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. 또한 \(f(x)\)는 \(x=2\)에서도 연속이므로 \(\lim_{x \to 2^-} (2x+4) = \lim_{x \to 2^+} \frac{ax+b}{x+2}\)에서
\[ 8 = \frac{2a+b}{4} \ \Longrightarrow\ 2a+b = 32 \quad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이다. ㉠, ㉡을 연립하면 \(a = -4, \ b = 40\)이다. 따라서 주기성에 의해
\[ f(15) = f(11) = f(7) = f(3) = \frac{-4(3)+40}{3+2} = \frac{28}{5} \]
이다.
\[ \therefore\ f(15) = \frac{28}{5} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\sin a = \sin b = \sin c = \frac{2}{5}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\frac{a+b}{2} = \frac{\pi}{2}\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(\cos\left(\frac{\pi}{2}+c\right) = -\frac{2}{5}\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
\(5\sin x = 2\)에서 \(\sin x = \frac{2}{5}\)임을 알 수 있고, 이 방정식의 해는 \(0 \le x \lt \frac{5}{2}\pi\)에서 함수 \(y=\sin x\)의 그래프와 직선 \(y=\frac{2}{5}\)의 교점의 \(x\)좌표와 같다.
이때 두 점 \(\left(a, \frac{2}{5}\right)\), \(\left(b, \frac{2}{5}\right)\)는 직선 \(x=\frac{\pi}{2}\)에 대하여 대칭이므로
\[ \frac{a+b}{2} = \frac{\pi}{2} \]
이다. 따라서
\[ \cos\left(\frac{a+b}{2}+c\right) = \cos\left(\frac{\pi}{2}+c\right) = -\sin c = -\frac{2}{5} \]
이다.
\[ \therefore\ -\frac{2}{5} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x) = 2x^3 - 2x^2 + ax + b\) (\(a, b\)는 상수)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(k = 2\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(x) = 2(x-1)^2(x+1)\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(m = 4\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(m) = 90\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
조건 (가)로부터 \(\lim_{x \to \infty} \frac{f(x)-2x^3}{2x^2+1} = -1\)이므로 \(f(x) = 2x^3 - 2x^2 + ax + b\) (\(a, b\)는 상수) \(\cdots\cdots\ \text{㉠}\)이다.
조건 (나)로부터 \(x \to 1\)일 때 극한값 \(m\)이 존재하므로 \(f(x)\)는 \((x-1)^k\)를 인수로 갖는다. \(f(x)\)가 삼차식이므로 \(k \ge 2\)에서 \(k=2\) 또는 \(k=3\)이다.
(i) \(k=2\)일 때: \(f(x) = 2(x-1)^2(x+c) = 2x^3 + (2c-4)x^2 + (2-4c)x + 2c\)에서 ㉠과 비교하면 \(2c-4 = -2 \ \Longrightarrow\ c=1\)이다.
(ii) \(k=3\)일 때: \(f(x) = 2(x-1)^3 = 2x^3 - 6x^2 + 6x - 2\)로 ㉠의 \(x^2\)의 계수 \(-2\)와 불일치하므로 모순이다.
(i), (ii)에서 \(k=2\)이고 \(f(x) = 2(x-1)^2(x+1)\)이다. 조건 (나)로부터
\[ \lim_{x \to 1} \frac{f(x)}{(x-1)^2} = \lim_{x \to 1} 2(x+1) = 4 \quad \therefore\ m = 4 \]
이다. 그러므로 \(f(m) = f(4) = 2(4-1)^2(4+1) = 2 \times 9 \times 5 = 90\)이다.
\[ \therefore\ f(m) = 90 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(g(x) = \begin{cases} 2x+a-1 & (x \lt 0) \\ x^2+ax+b & (x \ge 0) \end{cases}\) (\(a, b\)는 상수)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(a = 2\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(b = 1\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(3) = 16\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(f(x) = x^2+ax+b\) (\(a, b\)는 상수)라 하자. \(f(x)-f(x-1) = (x^2+ax+b) - ((x-1)^2+a(x-1)+b) = 2x+a-1\)이므로
\[ g(x) = \begin{cases} 2x+a-1 & (x \lt 0) \\[4pt] x^2+ax+b & (x \ge 0) \end{cases} \]
이다. \(g(x)\)는 \(x=0\)에서 연속이므로 \(a-1 = b \ \cdots\cdots\ \text{㉠}\)이다. 또한 \(g(x)\)는 \(x=0\)에서 미분가능하므로
\[ \lim_{h \to 0^-} \frac{(2h+a-1)-b}{h} = \lim_{h \to 0^+} \frac{(h^2+ah+b)-b}{h} \ \Longrightarrow\ 2 = a \]
이다. ㉠으로부터 \(b = a-1 = 1\)이므로 \(f(x) = x^2+2x+1\)이다. 따라서
\[ f(3) = 3^2 + 2(3) + 1 = 9 + 6 + 1 = 16 \]
이다.
\[ \therefore\ f(3) = 16 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x) = ax^2 + bx + c\) (\(a, b, c\)는 상수)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(x) = \frac{4}{3}x^2 - x - \frac{1}{3}\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(\int_0^1 f(x)\,dx = -\frac{7}{18}\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
문제에서 주어진 식을 변형하면
\[ 2f(x) + f(-x) = 4x^2 - x - 1 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. 위의 식으로부터 \(f(x)\)는 최고차항이 이차인 다항식이다.
\(f(x) = ax^2 + bx + c\) (\(a, b, c\)는 상수)라 하자. ㉠으로부터 모든 실수 \(x\)에 대하여
\[ 2(ax^2 + bx + c) + (ax^2 - bx + c) = 4x^2 - x - 1 \]
\[ 3ax^2 + bx + 3c = 4x^2 - x - 1 \]
이다. 계수를 비교하면
\[ 3a = 4 \ \Longrightarrow\ a = \frac{4}{3}, \quad b = -1, \quad 3c = -1 \ \Longrightarrow\ c = -\frac{1}{3} \]
이고, \(f(x) = \frac{4}{3}x^2 - x - \frac{1}{3}\)이다. 따라서
\[ \int_0^1 f(x)\,dx = \int_0^1 \left(\frac{4}{3}x^2 - x - \frac{1}{3}\right)\,dx = \left[ \frac{4}{9}x^3 - \frac{1}{2}x^2 - \frac{1}{3}x \right]_0^1 = \frac{4}{9} - \frac{1}{2} - \frac{1}{3} = -\frac{7}{18} \]
이다.
\[ \therefore\ -\frac{7}{18} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| [9-(1)] 함수 \(f(x)\)는 \(x=2\)에서 극대임을 구할 수 있다. | 4점 |
| [9-(1)] 극댓값이 \(4\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| [9-(2)] 함수 \(g(x)\)는 \(x=2\)에서 극소임을 구할 수 있다. | 6점 |
| [9-(2)] 극솟값이 \(-4\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
(1) 함수 \(f(x)\)의 극댓값을 구하시오. (6점)
[풀이] \(f'(x) = x(x-2)(x-4)\)이므로 \(x=0\) 또는 \(x=2\) 또는 \(x=4\)에서 \(f'(x)=0\)이다.
\(f'(x)\)의 부호 변화를 조사하면 \(x=2\)의 좌우에서 \(f'(x)\)가 양에서 음으로 바뀌므로 함수 \(f(x)\)는 \(x=2\)에서 극대이다.
극댓값은
\[ \begin{aligned} f(2) &= \int_0^2 t(t-2)(t-4)\,dt = \int_0^2 (t^3 - 6t^2 + 8t)\,dt \\[6pt] &= \left[ \frac{1}{4}t^4 - 2t^3 + 4t^2 \right]_0^2 = 4 - 16 + 16 = 4 \end{aligned} \]
이다.
\[ \therefore\ (1)\ 4 \]
(2) 함수 \(g(x) = f(x+2)-f(x)\)의 극솟값을 구하시오. (10점)
[풀이] \(g(x) = \displaystyle\int_0^{x+2} t(t-2)(t-4)\,dt - \int_0^x t(t-2)(t-4)\,dt = 2x^3 - 6x^2 + 4\)이다.
함수 \(g(x)\)를 \(x\)에 대하여 미분하면
\[ g'(x) = 6x(x-2) \]
이므로 \(x=0\) 또는 \(x=2\)에서 \(g'(x)=0\)이다. \(x=2\)의 좌우에서 \(g'(x)\)의 부호가 음에서 양으로 바뀌므로 함수 \(g(x)\)는 \(x=2\)에서 극소이다.
\[ f(4) = \int_0^4 t(t-2)(t-4)\,dt = \left[ \frac{1}{4}t^4 - 2t^3 + 4t^2 \right]_0^4 = 64 - 128 + 64 = 0 \]
이므로 극솟값은
\[ g(2) = f(4) - f(2) = 0 - 4 = -4 \]
이다.
\[ \therefore\ -4 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| [10-(1)] \(a_k = -2, \ a_{k+1}=4\) 또는 \(a_k = -4, \ a_{k+1}=2\)임을 구할 수 있다. | 5점 |
| [10-(1)] 공차 \(d=6\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| [10-(2)] \(M_1 = S_6\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| [10-(2)] 첫째항 \(a_1 = -34\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
(1) 공차 \(d\)의 값을 구하시오. (8점)
[풀이] \(a_1 > 0\)이면 \(S_1 > 0\)이므로 \(S_n > 0\)의 최솟값이 \(13\)이라는 조건에 모순이다. 즉 \(a_1 \lt 0\)이다.
또 \(a_2 > 0\)이면 \(S_3 = 3a_2 > 0\)이므로 역시 모순이다. 즉 \(a_1 \lt a_2 \lt 0\)이므로 \(2\) 이상의 자연수 \(k\)에 대하여 \(S_k = M_1\)이라 하면 \(n \le k\)일 때 \(a_n \lt 0\)이고, \(n \ge k+1\)일 때 \(a_n > 0\)이다.
(i) \(S_k = M_1, \ S_{k-1} = M_2, \ S_{k+1} = M_3\)인 경우:
\(M_2 - M_1 = S_{k-1} - S_k = -a_k = 2 \ \Longrightarrow\ a_k = -2\)
\(M_3 - M_2 = S_{k+1} - S_{k-1} = a_k + a_{k+1} = 2 \ \Longrightarrow\ a_{k+1} = 4\)
따라서 공차 \(d = a_{k+1} - a_k = 4 - (-2) = 6\)이다.
한편 \(a_1 = a_k - 6(k-1) = 4 - 6k\)이고,
\[ S_n = \frac{n\{2(4-6k)+6(n-1)\}}{2} = n(3n-6k+1) \]
이다. \(S_n > 0\)의 최솟값이 \(13\)이므로 \(n=12\)일 때 \(3n-6k+1 \le 0 \ \Longrightarrow\ 6k \ge 37\), \(n=13\)일 때 \(3n-6k+1 > 0 \ \Longrightarrow\ 6k \lt 40\)이다. 그러나 \(37 \le 6k \lt 40\)을 만족하는 자연수 \(k\)는 없다.
(ii) \(S_k = M_1, \ S_{k+1} = M_2, \ S_{k-1} = M_3\)인 경우:
\(M_2 - M_1 = S_{k+1} - S_k = a_{k+1} = 2\)
\(M_3 - M_2 = S_{k-1} - S_{k+1} = -a_k - a_{k+1} = 2 \ \Longrightarrow\ a_k = -4\)
따라서 공차 \(d = a_{k+1} - a_k = 2 - (-4) = 6\)이다. [10-(1) 정답]
(2) 첫째항 \(a_1\)의 값을 구하시오. (8점)
[풀이] \(a_1 = a_k - 6(k-1) = -4 - 6k + 6 = 2 - 6k\)이고,
\[ S_n = \frac{n\{2(2-6k)+6(n-1)\}}{2} = n(3n-6k-1) \]
이다. \(S_n > 0\)을 만족시키는 자연수 \(n\)의 최솟값이 \(13\)이므로
\[ n=12\text{일 때 } 3(12)-6k-1 \le 0 \quad \Longrightarrow \quad 6k \ge 35 \]
\[ n=13\text{일 때 } 3(13)-6k-1 > 0 \quad \Longrightarrow \quad 6k \lt 38 \]
을 만족한다. \(35 \le 6k \lt 38\)을 만족하는 자연수 \(k\)는 \(k=6\)뿐이다. (\(M_1 = S_6\))
따라서
\[ a_1 = 2 - 6(6) = 2 - 36 = -34 \]
이다. [10-(2) 정답]
\[ \therefore\ (1)\ d = 6 \qquad (2)\ a_1 = -34 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\log_2 a + \log_2 b = 8\)이고 \((\log_2 a)(\log_2 b) = 4\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\log_a b + \log_b a = 14\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
이차방정식의 근과 계수의 관계에 의하여
\[ \log_2 a + \log_2 b = 8, \quad (\log_2 a)(\log_2 b) = 4 \]
이다. 따라서 밑변환 공식을 적용하면
\[ \begin{aligned} \log_a b + \log_b a &= \frac{\log_2 b}{\log_2 a} + \frac{\log_2 a}{\log_2 b} = \frac{(\log_2 a)^2 + (\log_2 b)^2}{(\log_2 a)(\log_2 b)} \\[6pt] &= \frac{(\log_2 a + \log_2 b)^2 - 2(\log_2 a)(\log_2 b)}{(\log_2 a)(\log_2 b)} = \frac{8^2 - 2 \times 4}{4} = \frac{56}{4} = 14 \end{aligned} \]
이다.
\[ \therefore\ 14 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x)=x^3-x^2+bx+c\)임을 구할 수 있다. (단, \(b, c\)는 상수) | 2점 |
| \(f(1)=-6\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(\lim_{x \to \infty} \frac{f(x)-x^3}{2x^2-x} = -\frac{1}{2}\)에서 분모가 이차식이므로 분자도 최고차항 계수가 \(-1\)인 이차식이어야 한다. 따라서
\[ f(x) = x^3 - x^2 + bx + c \quad (b, c\text{는 상수}) \]
이다. 또한 \(\lim_{x \to 2} \frac{f(x)}{x-2} = 10\)에서 분모 \(\to 0\)이므로 \(f(2)=0\)이다. 즉,
\[ f(2) = 2^3 - 2^2 + 2b + c = 4 + 2b + c = 0 \ \Longrightarrow\ c = -2b - 4 \]
이다. 이를 대입하여 인수분해하면 \(f(x) = (x-2)(x^2+x+b+2)\)이므로
\[ \lim_{x \to 2} \frac{f(x)}{x-2} = \lim_{x \to 2} (x^2+x+b+2) = 8+b = 10 \ \Longrightarrow\ b = 2, \ c = -8 \]
이다. 따라서 \(f(x) = x^3 - x^2 + 2x - 8\)이고, \(f(1) = 1 - 1 + 2 - 8 = -6\)이다.
\[ \therefore\ f(1) = -6 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(-1)=-20\)과 \(f'(-1)=27\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(g(-1)=-2\)와 \(g'(-1)=3\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(h'(-1)=-114\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(f(x)=(2x^2+x+3)(3x-2)\)이므로 \(f(-1) = (2-1+3)(-3-2) = -20\)이다. 또한 곱의 미분법에 의해
\[ f'(x) = (4x+1)(3x-2) + (2x^2+x+3) \times 3 \ \Longrightarrow\ f'(-1) = (-3)(-5) + (4)(3) = 27 \]
이다. 한편, \(\lim_{x \to -1} \frac{g(x)+2}{(x+1)(x+2)} = 3\)에서 분모 \(\to 0\)이므로 \(g(-1) = -2\)이어야 한다.
\[ \lim_{x \to -1} \frac{g(x)-g(-1)}{x-(-1)} \times \frac{1}{x+2} = g'(-1) \times 1 = 3 \ \Longrightarrow\ g'(-1) = 3 \]
이다. 따라서 곱의 미분법에 의해
\[ h'(-1) = f'(-1)g(-1) + f(-1)g'(-1) = 27 \times (-2) + (-20) \times 3 = -54 - 60 = -114 \]
이다.
\[ \therefore\ h'(-1) = -114 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\alpha+\beta=\pi\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(\beta-\alpha=\frac{\pi}{3}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\alpha=\frac{\pi}{3}\)와 \(\beta=\frac{2\pi}{3}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(0 \le x \le \pi\)에서 함수 \(y=\sin(x-\pi) = -\sin x\)와 \(y=k\) (\(-1 \lt k \lt 0\))의 그래프는 다음과 같다.
함수 \(y=\sin(x-\pi)\)의 그래프는 직선 \(x=\frac{\pi}{2}\)에 대하여 대칭이므로
\[ \frac{\alpha+\beta}{2} = \frac{\pi}{2} \ \Longrightarrow\ \alpha+\beta = \pi \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. 또한 조건 (나)로부터 \(\tan(\beta-\alpha) = \sqrt{3}\)이고, \(0 \lt \beta-\alpha \lt \pi\)이므로
\[ \beta-\alpha = \frac{\pi}{3} \qquad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
이다. ㉠, ㉡을 연립하면 \(2\beta = \frac{4\pi}{3} \ \Longrightarrow\ \beta = \frac{2\pi}{3}, \ \alpha = \frac{\pi}{3}\)이다.
\[ \therefore\ \alpha = \frac{\pi}{3}, \quad \beta = \frac{2\pi}{3} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 삼각형 \(\mathrm{OPQ}\)가 정삼각형임을 구할 수 있다. (또는 중심각 \(\frac{\pi}{3}\)) | 2점 |
| \(S_n = \left(\frac{2\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\times (3^{\frac{1}{n}})^2\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(\frac{S_2}{S_4}=\sqrt{3}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
원 \(x^2+y^2=9^{\frac{1}{n}} = (3^{\frac{1}{n}})^2\)의 반지름의 길이는 \(3^{\frac{1}{n}}\)이다. 원과 직선 \(x = \frac{1}{2} \times 3^{\frac{1}{n}+\frac{1}{2}} = \frac{\sqrt{3}}{2} \times 3^{\frac{1}{n}}\)이 만나는 두 점을 \(\mathrm{P, Q}\)라 하자.
선분 \(\mathrm{OP}\)가 \(x\)축의 양의 방향과 이루는 각을 \(\theta\)라 하면 \(\cos\theta = \frac{\sqrt{3}}{2}\)에서 \(\theta = \frac{\pi}{6}\)이다. 따라서 부채꼴 \(\mathrm{OPQ}\)의 중심각의 크기는 \(\frac{\pi}{3}\)이다.
정육각 대칭성에 의해 직선 \(x = \frac{\sqrt{3}}{2} \times 3^{\frac{1}{n}}\)의 오른쪽 활꼴의 넓이는 부채꼴 \(\mathrm{OPQ}\)의 넓이에서 삼각형 \(\mathrm{OPQ}\)의 넓이를 뺀 것이므로,
\[ S_n = \pi (3^{\frac{1}{n}})^2 - 2 \times \left\{ \frac{1}{2}(3^{\frac{1}{n}})^2 \times \frac{\pi}{3} - \frac{\sqrt{3}}{4}(3^{\frac{1}{n}})^2 \right\} = \left(\frac{2\pi}{3} + \frac{\sqrt{3}}{2}\right) \times 3^{\frac{2}{n}} \]
이다. 따라서 \(\frac{S_2}{S_4} = \frac{3^{2/2}}{3^{2/4}} = \frac{3^1}{3^{1/2}} = 3^{1/2} = \sqrt{3}\)이다.
\[ \therefore\ \frac{S_2}{S_4} = \sqrt{3} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(a=-1\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(x>1\)일 때 \(f(x)=\frac{x^3-8x^2+12x-5}{x-1}\)임을 구할 수 있다. (또는 \(b=8, c=12\)) | 6점 |
| \(f(3)=-7\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
조건 (가)로부터 \(f(-0) = -f(0) \ \Longrightarrow\ f(0)=0\)이다. \(0 \le x \le 1\)에서 \(f(0) = (0-1)^2+a = 1+a = 0\)이므로 \(a = -1\)이다.
함수 \(f(x)\)가 실수 전체에서 연속이므로 \(x=1\)에서도 연속이다. \(f(1) = (1-1)^2-1 = -1\)이고,
\[ \lim_{x \to 1^+} f(x) = \lim_{x \to 1^+} \frac{x^3-bx^2+cx-5}{x-1} = -1 \]
이다. 분모 \(\to 0\)이므로 분자 \(1-b+c-5 = 0 \ \Longrightarrow\ c = b+4\)이다. 분자에 대입하여 인수분해하면
\[ x^3-bx^2+(b+4)x-5 = (x-1)(x^2-(b-1)x+5) \]
이므로 \(\lim_{x \to 1^+} (x^2-(b-1)x+5) = 1-(b-1)+5 = 7-b = -1 \ \Longrightarrow\ b = 8, \ c = 12\)이다.
따라서 \(x > 1\)일 때 \(f(x) = \frac{(x-1)(x^2-7x+5)}{x-1} = x^2-7x+5\)이므로 \(f(3) = 3^2 - 7(3) + 5 = -7\)이다.
\[ \therefore\ f(3) = -7 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 열린구간 \(\left(-\frac{2a}{3}, 0\right)\)에서 함수 \(f(x)\)가 감소임을 구할 수 있다. | 5점 |
| 실수 \(k\)가 \(-\frac{2a}{3} \le k\)와 \(k+3 \le 0\)을 동시에 만족함을 구할 수 있다. | 5점 |
| \(f(1)\)의 값이 최소가 되도록 하는 \(a\)의 값이 \(\frac{9}{2}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(f'(x) = 3x^2+2ax = 3x\left(x+\frac{2a}{3}\right)\)이고 \(a > 0\)이므로, 도함수 \(f'(x)\)는 \(x=-\frac{2a}{3}\)과 \(x=0\)에서 \(0\)이다. 따라서 함수 \(f(x)\)는 열린구간 \(\left(-\frac{2a}{3}, 0\right)\)에서 단조감소한다.
열린구간 \((k, k+3)\)에서 \(f(x)\)가 항상 감소하려면, \((k, k+3) \subseteq \left(-\frac{2a}{3}, 0\right)\)이어야 하므로
\[ -\frac{2a}{3} \le k \quad \text{이고} \quad k+3 \le 0 \ \Longrightarrow\ k \le -3 \]
이어야 한다. 그러한 실수 \(k\)가 존재하기 위해서는
\[ -\frac{2a}{3} \le -3 \ \Longrightarrow\ a \ge \frac{9}{2} \]
이어야 한다. 따라서 \(f(1) = 1^3 + a(1)^2 - 3 = a - 2 \ge \frac{9}{2} - 2 = \frac{5}{2}\)이므로, \(f(1)\)의 값이 최소가 되도록 하는 \(a\)의 값은 \(\frac{9}{2}\)이다.
\[ \therefore\ a = \frac{9}{2} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x)=x^2+2x+b\)임을 구할 수 있다. (단, \(b\)는 실수) | 3점 |
| \(-\frac{13}{3} \le b \le -\frac{7}{3}\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(\int_{-2}^{1} f(x)\,dx = 3b\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| 최댓값과 최솟값의 합이 \(-20\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(f(x) = x^2+ax+b\) (\(a, b\)는 실수)라 하자. 조건 (가)로부터
\[ f(2)-f(-2) = (4+2a+b) - (4-2a+b) = 4a = 8 \ \Longrightarrow\ a = 2 \]
이다. 따라서 \(f(x) = x^2+2x+b\)이다. 조건 (나)에 정적분을 대입하면
\[ \int_0^2 (x^2+2x+b)\,dx = \left[ \frac{1}{3}x^3 + x^2 + bx \right]_0^2 = \frac{8}{3} + 4 + 2b = 2b + \frac{20}{3} \]
이므로 \(-2 \le 2b + \frac{20}{3} \le 2 \ \Longrightarrow\ -\frac{26}{3} \le 2b \le -\frac{14}{3} \ \Longrightarrow\ -\frac{13}{3} \le b \le -\frac{7}{3}\)이다.
구하고자 하는 정적분은 우함수·기함수 성질에 의해
\[ \int_{-2}^1 (x^2+2x+b)\,dx = \left[ \frac{1}{3}x^3 + x^2 + bx \right]_{-2}^1 = \left(\frac{1}{3}+1+b\right) - \left(-\frac{8}{3}+4-2b\right) = 3b \]
이다. 따라서 최댓값은 \(3\left(-\frac{7}{3}\right) = -7\), 최솟값은 \(3\left(-\frac{13}{3}\right) = -13\)이므로 합은 \((-7) + (-13) = -20\)이다.
\[ \therefore\ -20 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(c_k = 12k-2\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(\sum_{k=1}^{10} c_k = 640\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(d_{100}=397, d_{200}=796, d_{300}=1195\)임을 구할 수 있다. | 9점 |
| \(d_{100}+d_{200}+d_{300}=2388\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
(1) 집합 \(A \cap B\)에 속하는 원소의 합 \(\displaystyle\sum_{k=1}^{10} c_k\)의 값을 구하시오. (6점)
[풀이] \(a_n = 3n-2\), \(b_m = 4m-2\)이다.
\[ A = \{1, 4, 7, 10, 13, 16, 19, 22, 25, 28, 31, 34, \dots\}, \quad B = \{2, 6, 10, 14, 18, 22, 26, 30, 34, \dots\} \]
따라서 공통원소는 첫째항이 \(10\)이고 공차가 \(\mathrm{lcm}(3, 4)=12\)인 등차수열이므로 \(c_k = 12k-2\)이다.
\[ \sum_{k=1}^{10} c_k = \sum_{k=1}^{10} (12k-2) = 12 \times \frac{10 \times 11}{2} - 20 = 660 - 20 = 640 \]
\[ \therefore\ (1)\ 640 \]
(2) \(d_{100}+d_{200}+d_{300}\)의 값을 구하시오. (10점)
[풀이] \(A\)의 원소 중 \(B\)에 속하지 않는 원소 \(d_n\)을 나열하면
\[ A - B = \{1, 4, 7, 13, 16, 19, 25, 28, 31, \dots\} \]
\(A\)의 원소 \(3n-2\)는 \(n\)을 \(4\)로 나눈 나머지에 따라 \(B\)에 속하는지 판정된다. \(n = 4m\)일 때 \(3(4m)-2 = 12m-2\)는 \(B\)에 속하므로 제외된다. 즉, \(4\)개 중 \(3\)개씩 채택된다.
\(k = 3q + r\) (\(r \in \{1, 2, 3\}\))에 대하여 원 수열의 항 번호는 \(N = 4q + r\)이다.
① \(k = 100 = 3(33) + 1 \ \Longrightarrow\ N = 4(33) + 1 = 133 \ \Longrightarrow\ d_{100} = 3(133)-2 = 397\)
② \(k = 200 = 3(66) + 2 \ \Longrightarrow\ N = 4(66) + 2 = 266 \ \Longrightarrow\ d_{200} = 3(266)-2 = 796\)
③ \(k = 300 = 3(99) + 3 \ \Longrightarrow\ N = 4(99) + 3 = 399 \ \Longrightarrow\ d_{300} = 3(399)-2 = 1195\)
따라서 \(d_{100}+d_{200}+d_{300} = 397 + 796 + 1195 = 2388\)이다.
\[ \therefore\ (2)\ 2388 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\mathrm{B}\)의 좌표는 \((2, 2)\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| 점 \(\mathrm{A}\)의 \(x\)좌표가 \(4\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(1)=\frac{13}{8}\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(\alpha=0, \beta=\frac{256}{27}\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(\alpha+\beta=\frac{256}{27}\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
(1) \(f(1)\)의 값을 구하시오. (10점)
[풀이] 삼차함수 \(y=f(x)\)가 원점을 지나고 \(y=\frac{1}{2}x\)와 점 \(\mathrm{A}(t, \frac{1}{2}t)\) (\(t>0\))에서 접하므로
\[ f(x)-\frac{1}{2}x = ax(x-t)^2 \quad (a > 0) \]
이다. 조건 (가), (나)로부터 점 \(\mathrm{B}\)의 좌표는 \(\left(2\sqrt{2}\cos\frac{\pi}{4}, 2\sqrt{2}\sin\frac{\pi}{4}\right) = (2, 2)\)이다.
점 \(\mathrm{B}\)에서 직선 \(y=\frac{1}{2}x \iff x-2y=0\)까지의 거리는 \(d = \frac{|2-2(2)|}{\sqrt{1^2+(-2)^2}} = \frac{2}{\sqrt{5}}\)이다.
삼각형 \(\mathrm{AOB}\)의 넓이가 \(2\)이므로 \(\frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{OA}} \times \frac{2}{\sqrt{5}} = 2 \ \Longrightarrow\ \overline{\mathrm{OA}} = 2\sqrt{5}\)이다.
점 \(\mathrm{A}(t, \frac{1}{2}t)\)이므로 \(\sqrt{t^2+\frac{1}{4}t^2} = \frac{\sqrt{5}}{2}t = 2\sqrt{5} \ \Longrightarrow\ t = 4\)이다. 따라서 점 \(\mathrm{A}\)는 \((4, 2)\)이다.
점 \(\mathrm{B}(2, 2)\)가 곡선 위의 점이므로 \(f(2) = a(2)(2-4)^2 + \frac{1}{2}(2) = 8a + 1 = 2 \ \Longrightarrow\ a = \frac{1}{8}\)이다.
따라서 \(f(x) = \frac{1}{8}x(x-4)^2 + \frac{1}{2}x\)이고, \(f(1) = \frac{1}{8}(1)(1-4)^2 + \frac{1}{2} = \frac{9}{8} + \frac{4}{8} = \frac{13}{8}\)이다.
\[ \therefore\ (1)\ \frac{13}{8} \]
(2) \(\alpha+\beta\)의 값을 구하시오. (6점)
[풀이] (1)에서 구한 \(f(x)\)로부터 \(f(x)-\frac{1}{2}x = \frac{1}{8}x(x-4)^2\)이다. 양변에 \(8\)을 곱하면
\[ 8f(x)-4x = x(x-4)^2 = x^3-8x^2+16x \]
\(g(x) = x^3-8x^2+16x\)라 하면 \(g'(x) = 3x^2-16x+16 = (3x-4)(x-4)\)이다.
따라서 함수 \(g(x)\)는 \(x=\frac{4}{3}\)에서 극대, \(x=4\)에서 극소이다.
\[ \text{극댓값: } g\left(\frac{4}{3}\right) = \frac{4}{3}\left(\frac{4}{3}-4\right)^2 = \frac{4}{3} \times \left(-\frac{8}{3}\right)^2 = \frac{256}{27}, \quad \text{극솟값: } g(4) = 0 \]
방정식 \(g(x)=k\)의 서로 다른 실근의 개수가 \(3\)이 되기 위한 \(k\)의 범위는 \(0 \lt k \lt \frac{256}{27}\)이다.
따라서 \(\alpha = 0, \ \beta = \frac{256}{27}\)이므로 \(\alpha+\beta = \frac{256}{27}\)이다.
\[ \therefore\ (2)\ \frac{256}{27} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(x = \log_3 6\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(6x - 2y = 6\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(3^x = 6\)에서 \(x = \log_3 6\)이다. 또한 \(y = \log_3 8\)이므로
\[ \begin{aligned} 6x - 2y &= 6\log_3 6 - 2\log_3 8 = \log_3 6^6 - \log_3 (2^3)^2 = \log_3 \frac{6^6}{2^6} \\[6pt] &= \log_3 \left(\frac{6}{2}\right)^6 = \log_3 3^6 = 6 \end{aligned} \]
이다.
\[ \therefore\ 6 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 함수 \(f(x)\)의 최댓값이 \(f(-2)\)이고 최솟값이 \(f(1)\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(a^3 b = \frac{3}{2}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(f(x) = a^{2x+1}+b = a(a^2)^x + b\)이고 \(0 \lt a \lt 1\)에서 \(0 \lt a^2 \lt 1\)이므로, 함수 \(f(x)\)는 감소함수이다. 따라서 닫힌구간 \([-2, 1]\)에서 최댓값은 \(f(-2)\), 최솟값은 \(f(1)\)이다.
\[ f(-2) = a^{-3}+b = 5 \quad \cdots\cdots\ \text{㉠}, \qquad f(1) = a^3+b = \frac{7}{2} \quad \cdots\cdots\ \text{㉡} \]
\(A = a^3\) (\(A > 0\))이라 하면 \(\frac{1}{A}+b=5, \ A+b=\frac{7}{2}\)이다. 변변 빼면
\[ \frac{1}{A}-A = \frac{3}{2} \ \Longrightarrow\ 2 - 2A^2 = 3A \ \Longrightarrow\ 2A^2+3A-2 = (2A-1)(A+2) = 0 \]
\(A > 0\)이므로 \(A = a^3 = \frac{1}{2}\)이고, \(b = \frac{7}{2} - \frac{1}{2} = 3\)이다. 따라서 \(a^3 b = \frac{1}{2} \times 3 = \frac{3}{2}\)이다.
\[ \therefore\ \frac{3}{2} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x)=x(x-3)(ax+b)\)임을 구할 수 있다. (단, \(a, b\)는 상수) | 3점 |
| \(f(x)=2x(x-3)(x+1)\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(\lim_{x \to 1} \frac{f(x)}{2x^2+3x+1} = -\frac{4}{3}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(\lim_{x \to 0} \frac{f(x)}{x}\)와 \(\lim_{x \to 3} \frac{f(x)}{x-3}\)의 극한값이 존재하므로 \(f(0)=0, \ f(3)=0\)이다. 따라서 삼차함수 \(f(x)\)는
\[ f(x) = x(x-3)(ax+b) \quad (a, b\text{는 상수}) \]
이다. 이를 극한식에 대입하면
\[ \lim_{x \to 0} (x-3)(ax+b) = -3b = -6 \ \Longrightarrow\ b = 2 \]
\[ \lim_{x \to 3} x(ax+b) = 3(3a+2) = 24 \ \Longrightarrow\ 3a+2 = 8 \ \Longrightarrow\ a = 2 \]
이다. 따라서 \(f(x) = 2x(x-3)(x+1)\)이다. 그러므로
\[ \lim_{x \to 1} \frac{f(x)}{2x^2+3x+1} = \frac{2(1)(1-3)(1+1)}{2(1)^2+3(1)+1} = \frac{2(1)(-2)(2)}{6} = -\frac{8}{6} = -\frac{4}{3} \]
이다.
\[ \therefore\ -\frac{4}{3} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x)\)가 이차함수임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(x)=x^2+4x+3\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(2)=15\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
주어진 식을 정리하면 \(f(x)\{f'(x)-1\} + x\{f'(x)-1\} = 2x^3+13x^2+21x+9\)이므로
\[ \{f(x)+x\}\{f'(x)-1\} = 2x^3+13x^2+21x+9 \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. 우변이 삼차식이므로 \(f(x)\)는 최고차항의 계수가 \(1\)인 이차함수이다. \(f(x) = x^2+ax+b\)라 하면 \(f'(x) = 2x+a\)이다. ㉠에 대입하면
\[ \{x^2+(a+1)x+b\}\{2x+(a-1)\} = 2x^3+(3a+1)x^2+(a^2+2b-1)x+b(a-1) \]
계수를 비교하면 \(3a+1 = 13 \ \Longrightarrow\ a = 4\), \(b(4-1) = 9 \ \Longrightarrow\ b = 3\)이다. (이때 \(a^2+2b-1 = 16+6-1 = 21\)로 성립)
따라서 \(f(x) = x^2+4x+3\)이므로, \(f(2) = 2^2 + 4(2) + 3 = 15\)이다.
\[ \therefore\ 15 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 각 부채꼴의 중심각의 크기가 모두 \(\frac{2\pi}{3}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| 부채꼴 \(\mathrm{CRS}\)의 반지름의 길이가 \(\frac{5}{2}\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| 부채꼴 \(\mathrm{CRS}\)의 넓이가 \(\frac{25\pi}{12}\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
정육각형의 한 내각의 크기는 \(\frac{2\pi}{3}\)이다. 선분 \(\overline{\mathrm{AP}} = x\) (\(0 \lt x \lt 9\))라 하면 정육각형 한 변의 길이가 \(9\)이므로 부채꼴 \(\mathrm{APQ, BQR, CRS, DST, ETU}\)의 반지름의 길이는 각각 \(x, 9-x, x, 9-x, x\)이다.
다섯 호의 중심각이 모두 \(\frac{2\pi}{3}\)이므로 호의 길이의 합은
\[ \frac{2\pi}{3}\{x + (9-x) + x + (9-x) + x\} = \frac{2\pi}{3}(x+18) = \frac{41}{3}\pi \]
이다. 따라서 \(2(x+18) = 41 \ \Longrightarrow\ 2x+36 = 41 \ \Longrightarrow\ x = \frac{5}{2}\)이다.
부채꼴 \(\mathrm{CRS}\)의 반지름의 길이는 \(x = \frac{5}{2}\)이므로, 넓이는
\[ \frac{1}{2} r^2 \theta = \frac{1}{2} \times \left(\frac{5}{2}\right)^2 \times \frac{2\pi}{3} = \frac{1}{2} \times \frac{25}{4} \times \frac{2\pi}{3} = \frac{25\pi}{12} \]
이다.
\[ \therefore\ \frac{25}{12}\pi \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(2)=0\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(x)=(x+1)(x-2)(x+a)\)임을 구할 수 있다. (단, \(a\)는 상수) | 4점 |
| \(a=-2\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(3)=4\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
함수 \(f(x)g(x)\)가 \(x=2\)에서 연속이므로 \(\lim_{x \to 2} f(x)g(x) = f(2)g(2)\)이다.
\[ \lim_{x \to 2} \frac{f(x)}{x-2} = 5f(2) \]
분모 \(\to 0\)이므로 극한값이 존재하기 위해 \(f(2)=0\)이어야 한다. 따라서 우변은 \(5 \times 0 = 0\)이므로
\[ \lim_{x \to 2} \frac{f(x)}{x-2} = 0 \]
이다. 이는 \(f(x)\)가 \((x-2)^2\)을 인수로 가짐을 뜻한다. 조건 (가)에서 \(f(-1)=0\)이고 최고차항 계수가 \(1\)이므로
\[ f(x) = (x+1)(x-2)^2 \]
이다. 따라서 \(f(3) = (3+1)(3-2)^2 = 4 \times 1 = 4\)이다.
\[ \therefore\ 4 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(a = \frac{51}{2}\)임을 구할 수 있다. | 5점 |
| \(n \le \sqrt{17}\)임을 구할 수 있다. | 5점 |
| 모든 자연수 \(n\)의 값의 합이 \(10\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(f'(x) = \frac{3}{2}x^2-a = \frac{3}{2}\left(x^2-\frac{2a}{3}\right)\)이다. 조건 (가)에 의해 함수 \(f(x)\)는 열린구간 \((-2, n)\)에서 단조감소하므로, 구간 \([-2, n]\)에서 최댓값은 \(x=-2\)에서 갖는다. 조건 (나)로부터
\[ f(-2) = \frac{1}{2}(-8) - a(-2) + 1 = 2a - 3 = 48 \ \Longrightarrow\ 2a = 51 \ \Longrightarrow\ a = \frac{51}{2} \]
이다. 따라서 \(f'(x) = \frac{3}{2}(x^2-17) = \frac{3}{2}(x-\sqrt{17})(x+\sqrt{17})\)이므로 함수 \(f(x)\)가 감소하는 구간은 \((-\sqrt{17}, \sqrt{17})\)이다.
조건 (가)를 만족시키려면 \((-2, n) \subseteq (-\sqrt{17}, \sqrt{17})\)이어야 하므로
\[ n \le \sqrt{17} \approx 4.123 \]
이어야 한다. 따라서 가능한 자연수 \(n\)은 \(1, 2, 3, 4\)이고, 그 합은 \(1+2+3+4 = 10\)이다.
\[ \therefore\ 10 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(b=5\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(a=2\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(\int_{-1}^{1} \{xf(x)+g(x)\}\,dx = \frac{76}{15}\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
조건 (가)에서 \(f(x)+f(-x) = -8x^2\), \(g(x)+g(-x) = 2bx^2\)이므로
\[ -8x^2 + 2bx^2 = 2x^2 \ \Longrightarrow\ 2b-8 = 2 \ \Longrightarrow\ b = 5 \]
이다. 따라서 \(g(x) = x^3+5x^2+2x\)이다. 도함수는 \(f'(x) = 3x^2-8x+a\), \(g'(x) = 3x^2+10x+2\)이므로
\[ f'(x)+xg'(x) = (3x^2-8x+a) + (3x^3+10x^2+2x) = 3x^3+13x^2-6x+a \]
대칭구간 적분에서 홀수차수(기함수)는 \(0\)이 되므로 조건 (나)로부터
\[ \int_{-1}^1 (13x^2+a)\,dx = 2\left[\frac{13}{3}x^3+ax\right]_0^1 = 2\left(\frac{13}{3}+a\right) = \frac{38}{3} \ \Longrightarrow\ \frac{13}{3}+a = \frac{19}{3} \ \Longrightarrow\ a = 2 \]
이다. 이제 구하는 식을 전개하면 \(xf(x)+g(x) = x(x^3-4x^2+2x) + (x^3+5x^2+2x) = x^4-4x^3+2x^2+x^3+5x^2+2x = x^4-3x^3+7x^2+2x\)이다.
\[ \int_{-1}^1 (x^4+7x^2)\,dx = 2\left[\frac{1}{5}x^5+\frac{7}{3}x^3\right]_0^1 = 2\left(\frac{1}{5}+\frac{7}{3}\right) = 2 \times \frac{38}{15} = \frac{76}{15} \]
\[ \therefore\ \frac{76}{15} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(a_5=15, a_6=22, a_7=16, a_8=13, a_9=20\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(a_{23}=13\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| 최댓값 \(M=170\)임을 구할 수 있다. | 5점 |
| 최솟값 \(m=38\)임을 구할 수 있다. | 5점 |
| \(M+m=208\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
(1) \(a_{23}\)의 값을 구하시오. (5점)
[풀이] \(a_4 = 20\)이므로 규칙에 따라 순차적으로 구하면
\[ \begin{aligned} a_5 &= \frac{20}{2}+5 = 15, \quad a_6 = 15+7 = 22, \quad a_7 = \frac{22}{2}+5 = 16, \\[4pt] a_8 &= \frac{16}{2}+5 = 13, \quad a_9 = 13+7 = 20 = a_4 \end{aligned} \]
따라서 수열 \(\{a_n\}\)은 \(n \ge 4\)에서 주기 \(5\)로 반복된다. 즉 \(a_{5n+4}=20, a_{5n}=15, a_{5n+1}=22, a_{5n+2}=16, a_{5n+3}=13\)이다.
\[ 23 = 5 \times 4 + 3 \ \Longrightarrow\ a_{23} = a_8 = 13 \]
\[ \therefore\ (1)\ 13 \]
(2) \(M+m\)의 값을 구하시오. (11점)
[풀이] \(a_4=20\)으로부터 \(a_3, a_2, a_1\)을 역추적한다.
① \(a_4=20\)일 때: \(a_3\)이 홀수이면 \(a_3+7=20 \ \Longrightarrow\ a_3=13\). \(a_3\)이 짝수이면 \(\frac{a_3}{2}+5=20 \ \Longrightarrow\ a_3=30\).
② \(a_3=13\)일 때: \(a_2\)가 홀수이면 \(a_2+7=13 \ \Longrightarrow\ a_2=6\) (홀수 모순). \(a_2\)가 짝수이면 \(\frac{a_2}{2}+5=13 \ \Longrightarrow\ a_2=16\).
③ \(a_3=30\)일 때: \(a_2\)가 홀수이면 \(a_2+7=30 \ \Longrightarrow\ a_2=23\). \(a_2\)가 짝수이면 \(\frac{a_2}{2}+5=30 \ \Longrightarrow\ a_2=50\).
④ 동일하게 \(a_1\)을 추적하면 가능한 순서쌍 \((a_1, a_2, a_3)\)은 다음과 같다.
\[ (18, 16, 13), \quad (22, 16, 13), \quad (36, 23, 30), \quad (43, 50, 30), \quad (90, 50, 30) \]
합 \(\sum_{k=1}^3 a_k\)는 각각 \(47, 51, 89, 123, 170\) 또는 \(a_2=16\)에서 \(a_1=9\) (홀수: \(9+7=16\))일 때 \((9, 16, 13)\)의 합은 \(38\)이다.
따라서 최댓값은 \(M = 90 + 50 + 30 = 170\), 최솟값은 \(m = 9 + 16 + 13 = 38\)이다.
\[ M+m = 170 + 38 = 208 \]
\[ \therefore\ (2)\ 208 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x)=x^3-6x^2+7x+12\)임을 구할 수 있다. | 9점 |
| \(f(1)=14\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
| \(h'(x)=3(x-1)(x-3)\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
| 극댓값 \(\alpha=16\), 극솟값 \(\beta=12\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(\alpha+\beta=28\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
(1) \(f(1)\)의 값을 구하시오. (10점)
[풀이] \(f(x) = x^3+ax^2+bx+c\)라 하면 \(f'(x) = 3x^2+2ax+b\)이다.
\[ \begin{aligned} f'(x+1)-f'(x-3) &= \{3(x+1)^2+2a(x+1)+b\} - \{3(x-3)^2+2a(x-3)+b\} \\[4pt] &= 3(8x-8) + 2a(4) = 24x - 24 + 8a = 24(x-3) + 8a + 48 \end{aligned} \]
\(x \lt 3\)에서 \(g(x) = \frac{24(x-3)+8a+48}{x-3}\)이다. \(g(x)\)가 \(x=3\)에서 미분가능하면 연속이므로 극한값 \(\lim_{x \to 3^-} g(x)\)가 존재해야 한다. 따라서 \(8a+48=0 \ \Longrightarrow\ a = -6\)이다.
이때 \(x \lt 3\)에서 \(g(x) = 24\) (상수함수)이다. 연속성에 의해 \(g(3) = 3f(3)+6 = 24 \ \Longrightarrow\ f(3) = 6\)이다.
또한 \(x=3\)에서 좌미분계수는 \(0\)이므로 우미분계수도 \(0\)이어야 한다. \((xf(x)+6)' = f(x)+xf'(x)\)이므로 \(f(3)+3f'(3) = 0 \ \Longrightarrow\ 6+3f'(3)=0 \ \Longrightarrow\ f'(3) = -2\)이다.
\(f'(x) = 3x^2-12x+b\)에서 \(f'(3) = 27-36+b = -2 \ \Longrightarrow\ b = 7\)이다. \(f(3) = 27-54+21+c = -6+c = 6 \ \Longrightarrow\ c = 12\)이다.
따라서 \(f(x) = x^3-6x^2+7x+12\)이고, \(f(1) = 1-6+7+12 = 14\)이다.
\[ \therefore\ (1)\ 14 \]
(2) \(\alpha+\beta\)의 값을 구하시오. (6점)
[풀이] (1)에서 구한 \(f(x)\)로부터
\[ h(x) = f(x)+2x = x^3-6x^2+9x+12 \]
도함수를 구하면
\[ h'(x) = 3x^2-12x+9 = 3(x-1)(x-3) \]
이므로, 함수 \(h(x)\)는 \(x=1\)에서 극대, \(x=3\)에서 극소이다.
\[ \alpha = h(1) = 1 - 6 + 9 + 12 = 16 \quad (\text{극댓값}) \]
\[ \beta = h(3) = 27 - 54 + 27 + 12 = 12 \quad (\text{극솟값}) \]
따라서 \(\alpha+\beta = 16 + 12 = 28\)이다.
\[ \therefore\ (2)\ 28 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 식 \(\left(A - \frac{1}{A}\right)^2 + \left(B - \frac{1}{B}\right)^2 = A^2 + B^2 + \frac{1}{A^2} + \frac{1}{B^2} - 4\)를 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\left(A - \frac{1}{A}\right)^2 + \left(B - \frac{1}{B}\right)^2 = 2\)를 구할 수 있다. | 2점 |
이차방정식의 근과 계수의 관계에 의하여
\[ \alpha+\beta = 4, \quad \alpha\beta = 2 \]
이다. \(A^2 = \alpha\), \(B^2 = \beta\)이므로, 구하고자 하는 식을 전개하면
\[ \begin{aligned} \left(A - \frac{1}{A}\right)^2 + \left(B - \frac{1}{B}\right)^2 &= A^2 + B^2 + \frac{1}{A^2} + \frac{1}{B^2} - 4 \\[6pt] &= \alpha + \beta + \frac{\alpha+\beta}{\alpha\beta} - 4 = 4 + \frac{4}{2} - 4 = 2 \end{aligned} \]
이다.
\[ \therefore\ 2 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\frac{g(2^m)}{f(2^m)} - 3 = \frac{12}{m-3}\)를 구할 수 있다. | 2점 |
| \(m\)의 값의 합이 \(46\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
\(f(2^m) = \log_8 2^m - 1 = \frac{m}{3} - 1 = \frac{m-3}{3}\)이고 \(g(2^m) = \log_2 2^m + 1 = m+1\)이므로,
\[ \frac{g(2^m)}{f(2^m)} - 3 = \frac{m+1}{\frac{m-3}{3}} - 3 = \frac{3(m+1)}{m-3} - 3 = \frac{3m+3 - 3(m-3)}{m-3} = \frac{12}{m-3} \qquad \cdots\cdots\ \text{㉠} \]
이다. 식 ㉠의 값이 자연수가 되기 위해서는 \(m-3\)이 \(12\)의 양의 약수이어야 하므로
\[ m-3 \in \{1, 2, 3, 4, 6, 12\} \ \Longrightarrow\ m \in \{4, 5, 6, 7, 9, 15\} \]
이다. 따라서 만족하는 모든 자연수 \(m\)의 값의 합은
\[ 4 + 5 + 6 + 7 + 9 + 15 = 46 \]
이다.
\[ \therefore\ 46 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\lim_{x \to 1} \frac{2(x^4-1)}{(x-1)f(x)} = \frac{4}{1-a}\)를 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(x)=x^2+4x+3\)을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\lim_{x \to 2} \frac{f(x)-f(2)}{x-2} = 8\)을 구할 수 있다. | 2점 |
\(f(x) = (x+1)(x-a)\)이므로 극한식의 분모와 분자를 인수분해하면
\[ \lim_{x \to 1} \frac{2(x^4-1)}{(x-1)f(x)} = \lim_{x \to 1} \frac{2(x-1)(x+1)(x^2+1)}{(x-1)(x+1)(x-a)} = \lim_{x \to 1} \frac{2(x^2+1)}{x-a} = \frac{4}{1-a} = 1 \]
이다. 따라서 \(1-a = 4 \ \Longrightarrow\ a = -3\)이다. 즉 \(f(x) = (x+1)(x+3) = x^2+4x+3\)이다.
미분계수의 정의에 의해 구하고자 하는 값은
\[ \lim_{x \to 2} \frac{f(x)-f(2)}{x-2} = f'(2) = 2(2) + 4 = 8 \]
이다.
\[ \therefore\ 8 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\frac{n}{m} = 1, 3, 5, 7, 9\)를 구할 수 있다. | 5점 |
| 순서쌍 \((m, n)\)의 개수는 \(17\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
모든 실수 \(x\)에 대하여 \(\sin x + \sin\left(x - \frac{n}{m}\pi\right) = 0 \iff \sin\left(x - \frac{n}{m}\pi\right) = -\sin x = \sin(x-\pi)\)가 항상 성립하려면 \(\frac{n}{m}\)의 값이 홀수이어야 한다.
\(m, n\)은 \(10\) 이하의 자연수이므로 \(\frac{n}{m} \in \{1, 3, 5, 7, 9\}\)이다.
① \(\frac{n}{m} = 1\): \((m, n) = (1, 1), (2, 2), \dots, (10, 10)\) (총 10개)
② \(\frac{n}{m} = 3\): \((m, n) = (1, 3), (2, 6), (3, 9)\) (총 3개)
③ \(\frac{n}{m} = 5\): \((m, n) = (1, 5), (2, 10)\) (총 2개)
④ \(\frac{n}{m} = 7\): \((m, n) = (1, 7)\) (총 1개)
⑤ \(\frac{n}{m} = 9\): \((m, n) = (1, 9)\) (총 1개)
따라서 조건을 만족시키는 순서쌍 \((m, n)\)의 총 개수는 \(10 + 3 + 2 + 1 + 1 = 17\)개이다.
\[ \therefore\ 17 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| ‘모든 실수 \(x\)에 대하여 \(f'(x) \ge 0\)’ 임을 구할 수 있다. | 3점 |
| 부등식 \(16-3a^2 \le 0\)을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(a\)의 최솟값이 \(\frac{4\sqrt{3}}{3}\) (또는 \(\frac{4}{\sqrt{3}}\))임을 구할 수 있다. | 2점 |
함수 \(f(x)\)가 실수 전체에서 일대일대응이 되기 위해서는 모든 실수 \(x\)에 대하여 \(f'(x) \ge 0\)이어야 한다.
도함수는 \(f'(x) = 3ax^2 - 8x + a\)이고, \(a > 0\)이므로 최고차항의 계수가 양수이다.
따라서 모든 실수 \(x\)에 대하여 \(f'(x) \ge 0\)이 성립하기 위한 판별식 조건은
\[ D/4 = (-4)^2 - (3a)(a) = 16 - 3a^2 \le 0 \ \Longrightarrow\ 3a^2 \ge 16 \ \Longrightarrow\ a^2 \ge \frac{16}{3} \]
이다. \(a\)가 양수이므로 \(a \ge \frac{4}{\sqrt{3}} = \frac{4\sqrt{3}}{3}\)이다. 따라서 \(a\)의 최솟값은 \(\frac{4\sqrt{3}}{3}\)이다.
\[ \therefore\ \frac{4\sqrt{3}}{3} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| ‘\(f(x)\)는 최고차항의 계수가 \(2\)인 삼차함수’ 임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(x)\)가 \(2(x-2)(x-1)(x+a)\)의 형태임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(x)=2(x-2)(x-1)(x-3)\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(4)=12\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
조건 (가)의 \(\lim_{x \to \infty} \frac{f(x)}{x^3+1} = 2\)로부터 \(f(x)\)는 최고차항의 계수가 \(2\)인 삼차함수이다.
조건 (나)에서 \(f(2) = 0\)이므로 \(f(x)\)는 \((x-2)\)를 인수로 갖는다.
조건 (다)에서 \(x \to 1\)일 때 분모 \(4x^2-3x-1 = (x-1)(4x+1) \to 0\)이고 수렴하므로, 분자 \(f(1) = 0\)이어야 한다. 따라서 \(f(x)\)는 \((x-1)\)도 인수로 갖는다.
그러므로 \(f(x) = 2(x-2)(x-1)(x+a)\) (\(a\)는 실수)라 둘 수 있다. 조건 (다)에 대입하면
\[ \lim_{x \to 1} \frac{2(x-2)(x-1)(x+a)}{(x-1)(4x+1)} = \lim_{x \to 1} \frac{2(x-2)(x+a)}{4x+1} = \frac{-2(1+a)}{5} = \frac{4}{5} \]
이다. \(-2(1+a) = 4 \ \Longrightarrow\ 1+a = -2 \ \Longrightarrow\ a = -3\)이다.
따라서 \(f(x) = 2(x-2)(x-1)(x-3)\)이고, \(f(4) = 2(2)(3)(1) = 12\)이다.
\[ \therefore\ 12 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 식 \(f(x)+xf'(x)=2x+(x-1)f'(x)\)를 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(x)=2x-2\)를 구할 수 있다. | 5점 |
| \(\int_{-1}^2 f(x)\,dx = -3\)을 구할 수 있다. | 3점 |
주어진 등식 \(xf(x) = x^2 + \int_0^x (t-1)f'(t)\,dt\)의 양변을 \(x\)에 대하여 미분하면
\[ f(x) + xf'(x) = 2x + (x-1)f'(x) \]
이다. 양변을 정리하면 \(f(x) + f'(x) = 2x\)이다. \(f(x)\)가 다항함수이므로 일차함수이어야 한다.
\(f(x) = ax+b\) (\(a, b\)는 실수)라 하면 \(f'(x) = a\)이므로
\[ ax + b + a = 2x \ \Longrightarrow\ a = 2, \ b = -2 \]
이다. 따라서 \(f(x) = 2x - 2\)이다. 구하고자 하는 정적분의 값은
\[ \int_{-1}^2 (2x-2)\,dx = \left[ x^2 - 2x \right]_{-1}^2 = (4-4) - (1+2) = -3 \]
이다.
\[ \therefore\ -3 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 시각 \(t\)에서의 점 \(\mathrm{P}\)의 위치가 \(3t^2-3t\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| 시각 \(t\)에서의 점 \(\mathrm{Q}\)의 위치가 \(t^3-2t^2-4t+5\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\alpha=1, \beta=5\)를 구할 수 있다. | 2점 |
| \(s_1=60\)을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(s_2=66\)을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(s_2-s_1=6\)을 구할 수 있다. | 1점 |
시각 \(t\)에서의 두 점 \(\mathrm{P, Q}\)의 위치를 각각 \(x_\mathrm{P}(t), x_\mathrm{Q}(t)\)라 하면
\[ x_\mathrm{P}(t) = \int_0^t (6s-3)\,ds = 3t^2-3t, \quad x_\mathrm{Q}(t) = 5 + \int_0^t (3s^2-4s-4)\,ds = t^3-2t^2-4t+5 \]
이다. 두 점이 만나는 시각은 \(3t^2-3t = t^3-2t^2-4t+5 \iff (t+1)(t-1)(t-5) = 0\)의 해 중 \(t > 0\)이므로 \(\alpha = 1, \ \beta = 5\)이다.
① 시각 \(t=1\)에서 \(t=5\)까지 점 \(\mathrm{P}\)가 움직인 거리는 \(t \ge 1\)에서 \(f(t) = 6t-3 > 0\)이므로
\[ s_1 = \int_1^5 (6t-3)\,dt = \left[ 3t^2-3t \right]_1^5 = (75-15) - 0 = 60 \]
② 시각 \(t=1\)에서 \(t=5\)까지 점 \(\mathrm{Q}\)가 움직인 거리는 \(g(t) = (3t+2)(t-2)\)에서 \(1 \le t \le 2\)일 때 \(g(t) \le 0\), \(2 \le t \le 5\)일 때 \(g(t) \ge 0\)이므로
\[ s_2 = \int_1^2 (-3t^2+4t+4)\,dt + \int_2^5 (3t^2-4t-4)\,dt = 7 + 59 = 66 \]
이다. 따라서 \(s_2 - s_1 = 66 - 60 = 6\)이다.
\[ \therefore\ 6 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 선분 \(\mathrm{AB}\)를 \(y=-2x+6\) (\(0 \le x \le 3\))으로 표현할 수 있다. | 3점 |
| 방정식 \(x^3-6x^2+7x+t = -2x+6\) (\(0 \le x \le 3\))을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(a\)의 최솟값이 \(6\)임을 구할 수 있다. | 6점 |
| \(b=2\)를 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(b)=0\)을 구할 수 있다. | 1점 |
(1) \(t > a\)인 모든 실수 \(t\)에 대하여 곡선 \(y=f(x)\)와 선분 \(\mathrm{AB}\)가 만나지 않을 때, 실수 \(a\)의 최솟값을 구하시오. (12점)
[풀이] 두 점 \(\mathrm{A}(3, 0), \mathrm{B}(0, 6)\)을 이은 선분 \(\mathrm{AB}\)의 방정식은 \(y = -2x+6\) (\(0 \le x \le 3\))이다.
곡선 \(y=x^3-6x^2+7x+t\)와 선분 \(\mathrm{AB}\)의 교점의 \(x\)좌표는
\[ x^3-6x^2+7x+t = -2x+6 \iff -x^3+6x^2-9x+6 = t \quad (0 \le x \le 3) \]
이다. \(g(x) = -x^3+6x^2-9x+6\)이라 하면, \(g'(x) = -3x^2+12x-9 = -3(x-1)(x-3)\)이다.
\(0 \le x \le 3\)에서 \(g(0) = 6\), 극솟값 \(g(1) = 2\), \(g(3) = 6\)이다. 따라서 치역은 \([2, 6]\)이다.
\(t > a\)인 모든 실수 \(t\)에 대하여 실근이 존재하지 않으려면 \(a \ge 6\)이어야 한다. 따라서 실수 \(a\)의 최솟값은 \(6\)이다.
\[ \therefore\ (1)\ 6 \]
(2) \(t=b\)일 때, 곡선 \(y=f(x)\)와 선분 \(\mathrm{AB}\)가 한 점에서 만난다. 이때, \(f(b)\)의 값을 구하시오. (단, \(b\)는 실수이다.) (4점)
[풀이] 문제 (1)에서 구한 함수 \(y=g(x)\) (\(0 \le x \le 3\))의 그래프로부터 \(g(x) = t\)가 단 하나의 실근을 갖는 경우는 극솟값인 \(t = 2\)일 때이다 (\(x=1\)에서만 만남).
따라서 \(b = 2\)이다. 이때 \(f(x) = x^3-6x^2+7x+2\)이므로 구하고자 하는 함숫값은
\[ f(b) = f(2) = 2^3 - 6(2^2) + 7(2) + 2 = 8 - 24 + 14 + 2 = 0 \]
이다.
\[ \therefore\ (2)\ 0 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(a_7=0\)일 때만 문제의 모든 조건들이 성립함을 보일 수 있다. | 5점 |
| \(a_1=-18\)을 구할 수 있다. | 1점 |
| \(b_1=-6\)을 구할 수 있다. | 1점 |
| \(a_1+b_1=-24\)를 구할 수 있다. | 1점 |
| \(a_n=3n-21\)을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(b_n=4n-10\)을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\sum_{n=1}^{10} (b_n-a_n) = 165\)를 구할 수 있다. | 4점 |
(1) \(a_1 + b_1\)의 값을 구하시오. (8점)
[풀이] 두 등차수열의 공차가 각각 \(3, 4\)이므로 \(a_5 = a_1 + 12\), \(b_6 = b_1 + 20\)이다. 조건 (가)로부터 \(a_5 \lt b_6 - 8\)이다. 조건 (나)의 \(b_6 = 2 - 2a_5\)를 대입하면 \(a_5 \lt -2\)이다.
\(a_k = 0\)인 자연수 \(k \lt 9\)의 후보는 \(k \in \{6, 7, 8\}\)뿐이다.
① \(k=6\): \(a_6=0 \ \Longrightarrow\ a_5=-3, a_1=-15, b_6=8, b_1=-12\). \(\sum |a_n|=54, \sum |b_n|=64\) (조건 (다) 불만족)
② \(k=7\): \(a_7=0 \ \Longrightarrow\ a_5=-6, a_1=-18, b_6=14, b_1=-6\). \(\sum_{n=1}^8 |a_n|=66, \sum_{n=1}^8 |b_n|=80 = 66+14\) (조건 (다) 만족!)
③ \(k=8\): \(a_8=0 \ \Longrightarrow\ a_5=-9, a_1=-21, b_6=20, b_1=0\). \(\sum |a_n|=84, \sum |b_n|=112\) (조건 (다) 불만족)
따라서 가능한 경우는 \(k=7\)뿐이며, \(a_1 = -18, b_1 = -6\)이므로 \(a_1 + b_1 = -24\)이다.
\[ \therefore\ (1)\ -24 \]
(2) \(\displaystyle\sum_{n=1}^{10} (b_n - a_n)\)의 값을 구하시오. (8점)
[풀이] (1)의 결과로부터 두 수열의 일반항은
\[ a_n = -18 + 3(n-1) = 3n - 21, \quad b_n = -6 + 4(n-1) = 4n - 10 \]
이다. 따라서 \(b_n - a_n = (4n-10) - (3n-21) = n + 11\)이므로, 구하고자 하는 합은
\[ \sum_{n=1}^{10} (b_n - a_n) = \sum_{n=1}^{10} (n+11) = \frac{10 \times 11}{2} + 110 = 55 + 110 = 165 \]
이다.
\[ \therefore\ (2)\ 165 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\left(\sqrt{2\sqrt[4]{8}}\right)^n = 2^{\frac{7n}{8}}\)을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(n=8\)을 구할 수 있다. | 2점 |
지수법칙에 의해 주어진 수식을 정리하면
\[ \sqrt{2\sqrt[4]{8}} = \sqrt{2 \times 2^{3/4}} = \left(2^{7/4}\right)^{1/2} = 2^{7/8} \]
이다. 따라서 \(\left(\sqrt{2\sqrt[4]{8}}\right)^n = 2^{\frac{7n}{8}}\)이다. 이 값이 자연수가 되려면 \(n\)은 \(8\)의 배수이어야 한다.
① \(n = 8\)일 때: \(2^7 = 128\) (세 자리 자연수)
② \(n = 16\)일 때: \(2^{14} = 16384\) (세 자리 자연수가 아님)
따라서 구하고자 하는 자연수 \(n\)의 값은 \(8\)이다.
\[ \therefore\ 8 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(a \ne 1, 2, 3\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
| \(-4 \lt a \lt 9\)임을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(a\)의 값의 합이 \(24\)임을 구할 수 있다. | 1점 |
함수 \(f(x) = \log_{|a-2|} (x^2+2ax+5a+36)\)이 정의되기 위해서는
밑의 조건: \(|a-2| > 0\) 및 \(|a-2| \ne 1 \ \Longrightarrow\ a \ne 1, 2, 3\)
진수의 조건: 모든 실수 \(x\)에 대하여 \(x^2+2ax+5a+36 > 0\)이어야 하므로
\[ D/4 = a^2 - (5a+36) = (a-9)(a+4) \lt 0 \ \Longrightarrow\ -4 \lt a \lt 9 \]
이다. 두 조건을 동시에 만족시키는 정수 \(a\)는 \(-3, -2, -1, 0, 4, 5, 6, 7, 8\)이다.
따라서 모든 정수 \(a\)의 값의 합은 \((-3)+(-2)+(-1)+0+4+5+6+7+8 = 24\)이다.
\[ \therefore\ 24 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(3)g(3)=5\)를 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f'(3)g(3)+f(3)g'(3)=10\)을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(\frac{f'(3)}{f(3)} + \frac{g'(3)}{g(3)} = 2\)를 구할 수 있다. | 2점 |
\(x \to 3\)일 때 분모 \(\to 0\)이고 극한값이 존재하므로 분자 \(f(3)g(3) - 5 = 0 \ \Longrightarrow\ f(3)g(3) = 5\)이다.
\(h(x) = f(x)g(x)\)라 하면 \(h(3) = 5\)이고, 미분계수의 정의에 의해
\[ \lim_{x \to 3} \frac{h(x)-h(3)}{x-3} = h'(3) = 10 \]
이다. 곱의 미분법에 의해 \(h'(3) = f'(3)g(3) + f(3)g'(3) = 10\)이다. 따라서
\[ \frac{f'(3)}{f(3)} + \frac{g'(3)}{g(3)} = \frac{f'(3)g(3) + f(3)g'(3)}{f(3)g(3)} = \frac{h'(3)}{h(3)} = \frac{10}{5} = 2 \]
이다.
\[ \therefore\ 2 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(\overline{\mathrm{AC}}=x\)일 때, 방정식 \(x(x^2+2x-2)=0\)을 구할 수 있다. | 6점 |
| \(\overline{\mathrm{AC}}=-1+\sqrt{3}\)을 구할 수 있다. | 2점 |
\(\overline{\mathrm{AC}} = x\) (\(x > 0\))라 하면 \(\overline{\mathrm{AD}} = x^2\)이다. \(\angle\mathrm{BAD} = \angle\mathrm{CAD} = 60^\circ\)이다.
삼각형 \(\mathrm{ABC}\)의 넓이는 \(\triangle\mathrm{ABD}\)와 \(\triangle\mathrm{ACD}\)의 넓이의 합과 같으므로
\[ \frac{1}{2} \cdot 2 \cdot x \cdot \sin 120^\circ = \frac{1}{2} \cdot 2 \cdot x^2 \cdot \sin 60^\circ + \frac{1}{2} \cdot x \cdot x^2 \cdot \sin 60^\circ \]
\[ \frac{\sqrt{3}}{2}x = \frac{\sqrt{3}}{2}x^2 + \frac{\sqrt{3}}{4}x^3 \ \Longrightarrow\ x(x^2+2x-2) = 0 \]
이다. \(x > 0\)이므로 근의 공식에 의해 \(x = -1+\sqrt{3}\)이다. 따라서 선분 \(\mathrm{AC}\)의 길이는 \(-1+\sqrt{3}\)이다.
\[ \therefore\ -1+\sqrt{3} \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 식 \(f(x)+xf'(x)=12x^2+6x+f(x)\)를 구할 수 있다. | 3점 |
| \(f(-2)=10\)을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(f(x)=6x^2+6x-2\)를 구할 수 있다. | 2점 |
| \(f(2)=34\)를 구할 수 있다. | 1점 |
등식 \(xf(x) = 4x^3+3x^2+\int_{-2}^x f(t)\,dt\)의 양변을 \(x\)에 대하여 미분하면
\[ f(x) + xf'(x) = 12x^2 + 6x + f(x) \ \Longrightarrow\ xf'(x) = 12x^2 + 6x \]
이다. \(f(x)\)가 다항함수이므로 \(f'(x) = 12x+6\)이다. 부정적분하면
\[ f(x) = 6x^2 + 6x + C \quad (C\text{는 적분상수}) \]
이다. 원래 식에 \(x = -2\)를 대입하면 \(-2f(-2) = 4(-8) + 3(4) + 0 = -20 \ \Longrightarrow\ f(-2) = 10\)이다.
\(f(-2) = 6(4) + 6(-2) + C = 12 + C = 10 \ \Longrightarrow\ C = -2\)이다. 따라서 \(f(x) = 6x^2+6x-2\)이다.
그러므로 \(f(2) = 6(4) + 6(2) - 2 = 34\)이다.
\[ \therefore\ 34 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(t)\)의 구간별 함수를 구할 수 있다. | 6점 |
| \(a=-1\)을 구할 수 있다. | 6점 |
이차방정식 \(x^2+2x+t=0\)의 판별식을 \(D\)라 하면 \(D/4 = 1-t\)이다. 따라서 서로 다른 실근의 개수 함수 \(f(t)\)는
\[ f(t) = \begin{cases} 2 & (t \lt 1) \\ 1 & (t = 1) \\ 0 & (t > 1) \end{cases} \]
이다. 함수 \((t+a)f(t)\)가 모든 실수에서 연속이 되려면 불연속점인 \(t=1\)에서 연속이어야 하므로
\[ \lim_{t \to 1^-} (t+a)f(t) = 2(1+a), \quad \lim_{t \to 1^+} (t+a)f(t) = 0 \]
에서 \(2(1+a) = 0 \ \Longrightarrow\ a = -1\)이다. (이때 \((1+a)f(1) = 0\)으로 함숫값과도 일치)
따라서 구하고자 하는 \(a\)의 값은 \(-1\)이다.
\[ \therefore\ -1 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(5)=0\)을 구할 수 있다. | 2점 |
| \(f(x)\)가 \((x-2)(x-5)(x+a)\)의 형태임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(f(x)=(x-2)^2(x-5)\)를 구할 수 있다. | 5점 |
| \(f(3)=-2\)를 구할 수 있다. | 1점 |
\(x \to 5\)일 때 분모 \((x-5)\{f'(x)\}^2 \to 0\)이고 수렴하므로 분자 \(f(5) = 0\)이다.
\(f(2) = 0\)이므로 \(f(x) = (x-2)(x-5)(x+a)\) (\(a\)는 실수)라 둘 수 있다.
\(f'(5) = (5-2)(5+a) = 3(5+a) \ne 0\)이라 하면
\[ \lim_{x \to 5} \frac{(x-2)(x-5)(x+a)}{(x-5)\{f'(x)\}^2} = \lim_{x \to 5} \frac{(x-2)(x+a)}{\{f'(x)\}^2} = \frac{3(5+a)}{\{3(5+a)\}^2} = \frac{1}{3(5+a)} = \frac{1}{9} \]
이다. \(3(5+a) = 9 \ \Longrightarrow\ 5+a = 3 \ \Longrightarrow\ a = -2\)이다. (이때 \(f'(5) = 9 \ne 0\)으로 성립)
따라서 \(f(x) = (x-2)^2(x-5)\)이고, \(f(3) = (1)^2(-2) = -2\)이다.
\[ \therefore\ -2 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| \(f(x)=6x^3+6x^2+6x+8\)을 구할 수 있다. | 5점 |
| ‘모든 실수 \(x\)에 대하여 \(f'(x) > 0\)’ 임을 보일 수 있다. | 4점 |
| \(M=92\)를 구할 수 있다. | 1점 |
| \(m=8\)을 구할 수 있다. | 1점 |
| \(M+m=100\)을 구할 수 있다. | 1점 |
피적분함수를 \(t\)에 관하여 전개하여 정적분을 계산하면
\[ \begin{aligned} f(x) &= \int_0^2 \{3t^2 + 3(x^2+x)t + 3x^3\}\,dt = \left[ t^3 + \frac{3}{2}(x^2+x)t^2 + 3x^3 t \right]_0^2 \\[6pt] &= 8 + 6(x^2+x) + 6x^3 = 6x^3 + 6x^2 + 6x + 8 \end{aligned} \]
이다. 도함수는 \(f'(x) = 18x^2+12x+6 = 6(3x^2+2x+1)\)이다. 이차방정식 \(3x^2+2x+1=0\)의 판별식이 \(D/4 = 1-3 = -2 \lt 0\)이므로 모든 실수 \(x\)에 대하여 \(f'(x) > 0\)이다.
따라서 \(f(x)\)는 닫힌구간 \([0, 2]\)에서 단조증가한다.
\[ M = f(2) = 6(8) + 6(4) + 6(2) + 8 = 92, \quad m = f(0) = 8 \]
따라서 \(M+m = 92 + 8 = 100\)이다.
\[ \therefore\ 100 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 점 \(\mathrm{B}\)의 \(x\)좌표는 \(1\)임을 구할 수 있다. | 5점 |
| \(k=7\)을 구할 수 있다. | 3점 |
| 공비가 \(2\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| \(a=8\)을 구할 수 있다. | 4점 |
(1) \(k\)의 값을 구하시오. (8점)
[풀이] 점 \(\mathrm{A}\)는 직선 \(y=-x+k\)의 \(y\)절편이므로 \((0, k)\)이다. 직선의 기울기가 \(-1\)이므로 \(\overline{\mathrm{AB}} = \sqrt{2}\)에서 점 \(\mathrm{B}\)의 좌표는 \((1, k-1)\)이다.
조건 (나)에서 점 \(\mathrm{B}\)가 곡선 \(y=\log_2 x + 6\) 위의 점이므로
\[ k-1 = \log_2 1 + 6 = 6 \ \Longrightarrow\ k = 7 \]
이다.
\[ \therefore\ (1)\ 7 \]
(2) \(a\)의 값을 구하시오. (8점)
[풀이] \(\overline{\mathrm{AB}} = \sqrt{2}\)이고 \(\overline{\mathrm{AB}}, \overline{\mathrm{BC}}, \overline{\mathrm{CD}}\)가 공비 \(r\)인 등비수열을 이루므로
\[ \overline{\mathrm{BC}} = \sqrt{2}r, \quad \overline{\mathrm{CD}} = \sqrt{2}r^2 \quad (r > 0) \]
이다. 점 \(\mathrm{A}(0, 7)\)이고 점 \(\mathrm{D}(7, 0)\)이므로 \(\overline{\mathrm{AD}} = 7\sqrt{2}\)이다.
\[ \overline{\mathrm{AD}} = \overline{\mathrm{AB}} + \overline{\mathrm{BC}} + \overline{\mathrm{CD}} = \sqrt{2}(1+r+r^2) = 7\sqrt{2} \ \Longrightarrow\ 1+r+r^2 = 7 \]
\(r^2+r-6 = (r+3)(r-2) = 0\)에서 \(r > 0\)이므로 \(r = 2\)이다.
따라서 \(\overline{\mathrm{BC}} = 2\sqrt{2}\)이므로 점 \(\mathrm{C}\)의 좌표는 점 \(\mathrm{B}(1, 6)\)으로부터 \((1+2, 6-2) = (3, 4)\)이다.
조건 (다)에서 점 \(\mathrm{C}(3, 4)\)가 곡선 \(y=a\log_9 x\) 위의 점이므로
\[ 4 = a\log_9 3 = a \times \frac{1}{2} \ \Longrightarrow\ a = 8 \]
이다.
\[ \therefore\ (2)\ 8 \]
| 채점 기준 (대학 공식) | 배점 |
|---|---|
| 접선 \(l_1\)의 기울기가 \(4k\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| 접선 \(l_2\)의 접점의 \(x\)좌표가 \(\frac{k+4}{2}\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| 접선 \(l_2\)의 기울기가 \(-\frac{1}{4}(k^2-8k+16)\)임을 구할 수 있다. | 3점 |
| \(g(k)=-k^3+8k^2-16k\)를 구할 수 있다. | 2점 |
| \(\sum_{k=1}^3 g(k) = -20\)을 구할 수 있다. | 4점 |
(1) 두 접선 \(l_1, l_2\)의 기울기를 \(k\)에 관한 식으로 나타내시오. (10점)
[풀이] \(f(x) = x(x-k)(x-4) = x^3-(k+4)x^2+4kx\)라 하면, \(f(0) = 0\)이므로 원점은 곡선 위의 점이다.
원점에서의 접선 \(l_1\)의 기울기는 \(f'(0)\)이고, \(f'(x) = 3x^2-2(k+4)x+4k\)이므로
\[ f'(0) = 4k \]
이다. 한편 원점이 아닌 점 \((t, f(t))\)에서의 접선이 원점을 지나므로 \(-f(t) = f'(t)(-t) \iff f(t) = t f'(t)\)이다.
\[ t^3-(k+4)t^2+4kt = t\{3t^2-2(k+4)t+4k\} \ \Longrightarrow\ t^2\{2t-(k+4)\} = 0 \]
\(t \ne 0\)이므로 \(t = \frac{k+4}{2}\)이다. 접선 \(l_2\)의 기울기는
\[ f'\left(\frac{k+4}{2}\right) = 3\left(\frac{k+4}{2}\right)^2 - 2(k+4)\left(\frac{k+4}{2}\right) + 4k = -\frac{1}{4}(k^2-8k+16) \]
이다. (\(0 \lt k \lt 4\)에서 \(4k > 0 > -\frac{1}{4}(k-4)^2\)이므로 \(l_1\)의 기울기가 더 큼)
\[ \therefore\ (1)\ l_1\text{의 기울기: } 4k, \quad l_2\text{의 기울기: } -\frac{1}{4}(k^2-8k+16) \]
(2) 위 (1)에서 구한 두 접선 \(l_1, l_2\)의 기울기의 곱을 \(g(k)\)라 할 때, \(\displaystyle\sum_{k=1}^3 g(k)\)의 값을 구하시오. (6점)
[풀이] (1)에서 구한 두 접선의 기울기의 곱 \(g(k)\)는
\[ g(k) = 4k \times \left\{-\frac{1}{4}(k^2-8k+16)\right\} = -k(k^2-8k+16) = -k^3+8k^2-16k \]
이다. 따라서 구하고자 하는 합은
\[ \sum_{k=1}^3 g(k) = g(1) + g(2) + g(3) = (-9) + (-8) + (-3) = -20 \]
이다.
\[ \therefore\ (2)\ -20 \]
| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 1-1 | \(f(1)=\frac{17}{2}\)을 구할 수 있다. | 2점 |
| 1-1 | \(f(2)=10\)을 구할 수 있다. | 2점 |
| 1-1 | \(f(1)+f(2)+f(3)=31\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 1-2 | \(n \ge 4\)이고 \(n\)이 짝수일 때, \(f(n)=4n\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 1-2 | \(n \ge 4\)이고 \(n\)이 홀수일 때, \(f(n)=4n\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 1-2 | \(\displaystyle\sum_{n=1}^{20} f(n) = 847\)을 구할 수 있다. | 4점 |
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
자연수 \(n\)에 대하여 \(\cos(n\pi) = (-1)^n\)이므로 각 \(n\)에 대해 정적분을 계산한다.
① \(n=1\)일 때, \(\cos\pi = -1\)이므로
\[f(1) = \int_{-2}^2 |2t - \cos\pi|\,dt = \int_{-2}^2 |2t+1|\,dt\] \[= \int_{-2}^{-1/2} (-2t-1)\,dt + \int_{-1/2}^2 (2t+1)\,dt = \left[-t^2-t\right]_{-2}^{-1/2} + \left[t^2+t\right]_{-1/2}^2 = \frac{9}{4} + \frac{25}{4} = \frac{17}{2}\]② \(n=2\)일 때, \(\cos(2\pi) = 1\)이므로
\[f(2) = \int_{-2}^2 |2t - 2\cos(2\pi)|\,dt = 2\int_{-2}^2 |t-1|\,dt = 2\left(\int_{-2}^1 (1-t)\,dt + \int_1^2 (t-1)\,dt\right) = 2\left(\frac{9}{2} + \frac{1}{2}\right) = 10\]③ \(n=3\)일 때, \(\cos(3\pi) = -1\)이므로
\[f(3) = \int_{-2}^2 |2t - 3\cos(3\pi)|\,dt = \int_{-2}^2 |2t+3|\,dt = \int_{-2}^{-3/2} (-2t-3)\,dt + \int_{-3/2}^2 (2t+3)\,dt = \frac{1}{4} + \frac{49}{4} = \frac{25}{2}\]따라서 구하고자 하는 합은 다음과 같다.
\[f(1)+f(2)+f(3) = \frac{17}{2} + 10 + \frac{25}{2} = 21 + 10 = 31\][소문항 (2) 심층 전개 및 종합 판정]
\(n \ge 4\)일 때 피적분함수의 부호를 판정한다. \(t \in [-2, 2]\)이므로 \(-4 \le 2t \le 4\)이다.
① \(n \ge 4\)이고 \(n\)이 짝수일 때: \(\cos(n\pi) = 1\)이므로
\[2t - n\cos(n\pi) = 2t - n \le 4 - 4 = 0\]따라서 \([-2, 2]\)에서 \(|2t-n| = n-2t\)이므로
\[f(n) = \int_{-2}^2 (n-2t)\,dt = \left[nt - t^2\right]_{-2}^2 = (2n-4) - (-2n-4) = 4n\]② \(n \ge 4\)이고 \(n\)이 홀수일 때: \(\cos(n\pi) = -1\)이므로
\[2t - n\cos(n\pi) = 2t + n \ge -4 + 5 = 1 \gt 0\]따라서 \([-2, 2]\)에서 \(|2t+n| = 2t+n\)이므로
\[f(n) = \int_{-2}^2 (2t+n)\,dt = \left[t^2 + nt\right]_{-2}^2 = (4+2n) - (4-2n) = 4n\]그러므로 모든 \(n \ge 4\)에 대하여 \(f(n) = 4n\)이 성립한다.
따라서 구하고자 하는 급수의 합은
\[\sum_{n=1}^{20} f(n) = \sum_{n=1}^3 f(n) + \sum_{n=4}^{20} 4n = 31 + 4\sum_{n=4}^{20} n\] \[= 31 + 4 \times \frac{17 \times (4 + 20)}{2} = 31 + 4 \times 204 = 31 + 816 = 847\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 2-1 | \(g\left(\frac{1}{2}\right)=1\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 2-1 | \(g(2)=-3\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 2-2 | 함수 \(g(t)\)를 구간별로 구할 수 있다. | 4점 |
| 2-2 | 연속조건으로부터 식 \(1+a+b=0\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 2-2 | 미분계수 정의를 적용하여 \(a=-2, b=1\)을 구할 수 있다. | 4점 |
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
함수 \(f(x)\)에 대하여 \(f(0) = 0+2 = 2\)이다. 양의 실수 \(t\)에 대하여 평균변화율의 정의에 의해
\[g(t) = \frac{f(t) - f(0)}{t - 0} = \frac{f(t) - 2}{t}\]① \(t = \frac{1}{2} \le 1\)일 때: \(f\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{1}{2} + 2 = \frac{5}{2}\)이므로
\[g\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{\frac{5}{2} - 2}{\frac{1}{2}} = \frac{\frac{1}{2}}{\frac{1}{2}} = 1\]② \(t = 2 \gt 1\)일 때: \(f(2) = -2(2) = -4\)이므로
\[g(2) = \frac{-4 - 2}{2} = \frac{-6}{2} = -3\][소문항 (2) 심층 전개 및 종합 판정]
[단계 1: 함수 \(g(t)\) 및 \(h(t)\) 구성]
\(0 \lt t \le 1\)일 때 \(f(t) = t+2\)이므로 \(g(t) = \frac{(t+2)-2}{t} = 1\)이다.
\(t \gt 1\)일 때 \(f(t) = -2t\)이므로 \(g(t) = \frac{-2t-2}{t} = -2 - \frac{2}{t}\)이다.
따라서 \(2+g(t)\)를 분모로 하는 함수 \(h(t)\)는 다음과 같다.
\[h(t) = \begin{cases} \frac{t^2+at+b}{2+1} = \frac{1}{3}(t^2+at+b) & (0 \lt t \le 1) \\ \frac{t^2+at+b}{2 + \left(-2 - \frac{2}{t}\right)} = -\frac{t}{2}(t^2+at+b) & (t \gt 1) \end{cases}\][단계 2: \(t=1\)에서의 연속성 검토]
함수 \(h(t)\)가 \(t=1\)에서 미분가능하므로 반드시 \(t=1\)에서 연속이어야 한다.
\[\lim_{t \to 1^-} h(t) = \frac{1}{3}(1+a+b), \quad \lim_{t \to 1^+} h(t) = -\frac{1}{2}(1+a+b)\]연속 조건에 의해 \(\frac{1}{3}(1+a+b) = -\frac{1}{2}(1+a+b) \implies \frac{5}{6}(1+a+b) = 0\)
\[1+a+b = 0 \quad \cdots \text{①} \quad (\therefore h(1) = 0)\][단계 3: 미분계수 정의를 통한 \(a, b\) 결정]
식 ①에 의해 \(t^2+at+b = t^2+at-(a+1) = (t-1)(t+a+1)\)이다.
좌미분계수: \(\displaystyle\lim_{t \to 1^-} \frac{h(t)-h(1)}{t-1} = \lim_{t \to 1^-} \frac{\frac{1}{3}(t-1)(t+a+1)}{t-1} = \frac{1}{3}(2+a)\)
우미분계수: \(\displaystyle\lim_{t \to 1^+} \frac{h(t)-h(1)}{t-1} = \lim_{t \to 1^+} \frac{-\frac{t}{2}(t-1)(t+a+1)}{t-1} = -\frac{1}{2}(2+a)\)
\(t=1\)에서 미분가능하므로 좌미분계수와 우미분계수가 같아야 한다.
\[\frac{1}{3}(2+a) = -\frac{1}{2}(2+a) \implies \frac{5}{6}(2+a) = 0 \implies a = -2\]이를 식 ①에 대입하면 \(1 + (-2) + b = 0 \implies b = 1\)이다.
| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 3-1 | 점 \(\mathrm{P}\)의 \(x\)좌표 \(\frac{3\sqrt{3}}{2}t^2\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 3-1 | 점 \(\mathrm{C}\left(\frac{3\sqrt{3}}{4}t^2, \frac{27}{16}t^4\right)\)의 좌표를 구할 수 있다. | 4점 |
| 3-1 | 정삼각형 높이 조건을 이용하여 \(t_0 = \frac{2}{3}\)를 구할 수 있다. | 4점 |
| 3-2 | 넓이 함수 \(S(t) = \frac{27\sqrt{3}}{64}t^6\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 3-2 | 미분계수 \(S'(t_0) = \frac{\sqrt{3}}{3}\)을 구할 수 있다. | 4점 |
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
[단계 1: 각 점의 좌표 결정]
점 \(\mathrm{P}\)는 원점에서 출발하여 \(x\)축 위를 움직이며 시각 \(t(t \ge 0)\)에서의 속도가 \(v(t) = 3\sqrt{3}t\)이므로 점 \(\mathrm{P}\)의 \(x\)좌표는
\[x_P(t) = \int_0^t 3\sqrt{3}s\,ds = \frac{3\sqrt{3}}{2}t^2 \quad \implies \mathrm{P}\left(\frac{3\sqrt{3}}{2}t^2, 0\right)\]점 \(\mathrm{A, B}\)는 선분 \(\mathrm{OP}\)의 \(1:2, 2:1\) 내분점이므로
\[\mathrm{A}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}t^2, 0\right), \quad \mathrm{B}\left(\sqrt{3}t^2, 0\right) \quad \implies \overline{\mathrm{AB}} = \sqrt{3}t^2 - \frac{\sqrt{3}}{2}t^2 = \frac{\sqrt{3}}{2}t^2\]이차함수 \(y=f(x)\)는 \(\mathrm{O}(0,0)\)과 \(\mathrm{P}\)를 지나며 최고차항 계수가 \(-1\)이므로
\[f(x) = -x\left(x - \frac{3\sqrt{3}}{2}t^2\right) = -\left(x - \frac{3\sqrt{3}}{4}t^2\right)^2 + \frac{27}{16}t^4\]따라서 꼭짓점 \(\mathrm{C}\)의 좌표는 \(\mathrm{C}\left(\frac{3\sqrt{3}}{4}t^2, \frac{27}{16}t^4\right)\)이다.
[단계 2: 정삼각형 성립 조건]
선분 \(\mathrm{AB}\)의 중점의 \(x\)좌표는 \(\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}t^2 + \sqrt{3}t^2}{2} = \frac{3\sqrt{3}}{4}t^2\)으로 점 \(\mathrm{C}\)의 \(x\)좌표와 일치하므로 점 \(\mathrm{C}\)에서 \(x\)축에 내린 수선의 발을 \(\mathrm{M}\)이라 하면 \(\mathrm{M}\)은 \(\mathrm{AB}\)의 중점이다.
삼각형 \(\mathrm{ABC}\)가 정삼각형이 되려면 높이 \(\overline{\mathrm{CM}} = \frac{\sqrt{3}}{2}\overline{\mathrm{AB}}\)이어야 하므로
\[\frac{27}{16}t_0^4 = \frac{\sqrt{3}}{2} \times \left(\frac{\sqrt{3}}{2}t_0^2\right) = \frac{3}{4}t_0^2\]\(t_0 \gt 0\)이므로 양변을 \(t_0^2\)으로 나누면 \(\frac{27}{16}t_0^2 = \frac{3}{4} \implies t_0^2 = \frac{4}{9} \implies t_0 = \frac{2}{3}\)이다.
[소문항 (2) 심층 전개 및 종합 판정]
시각 \(t(t \gt 0)\)에서의 삼각형 \(\mathrm{ABC}\)의 넓이 \(S(t)\)는 밑변 \(\overline{\mathrm{AB}}\)와 높이 \(\overline{\mathrm{CM}}\)에 의해 다음과 같다.
\[S(t) = \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{AB}} \times \overline{\mathrm{CM}} = \frac{1}{2} \times \left(\frac{\sqrt{3}}{2}t^2\right) \times \left(\frac{27}{16}t^4\right) = \frac{27\sqrt{3}}{64}t^6\]도함수 \(S'(t)\)를 구하면
\[S'(t) = \frac{27\sqrt{3}}{64} \times 6t^5 = \frac{81\sqrt{3}}{32}t^5\]소문항 (1)에서 구한 \(t_0 = \frac{2}{3}\)을 대입하면
\[S'(t_0) = S'\left(\frac{2}{3}\right) = \frac{81\sqrt{3}}{32} \times \left(\frac{2}{3}\right)^5 = \frac{81\sqrt{3}}{32} \times \frac{32}{243} = \frac{81\sqrt{3}}{243} = \frac{\sqrt{3}}{3}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 4-1 | 관계식 \(a_n + \frac{1}{2}a_n^2 = n\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 4-1 | \(a_1^2+b_1^2+a_4^2+b_4^2 = 19-6\sqrt{3}\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 4-2 | \(n=4, 12, 24, \dots\)일 때 \(A_n=(n+1)^2\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| 4-2 | 그 외의 자연수 \(n\)에서 \(A_n=n^2\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| 4-2 | 급수의 합 \(\displaystyle\sum_{n=1}^{20} A_n = 2904\)를 구할 수 있다. | 4점 |
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
점 \(\mathrm{R}_n\)의 좌표가 \((a_n, b_n)\)이고 곡선 \(y=\frac{1}{2}x^2(x \ge 0)\) 위의 점이므로
\[b_n = \frac{1}{2}a_n^2 \quad \cdots \text{①}\]선분 \(\mathrm{S}_n\mathrm{R}_n\)이 \(x\)축과 평행하므로 점 \(\mathrm{S}_n\)의 \(y\)좌표는 \(b_n\)이고, 점 \(\mathrm{S}_n\)이 직선 \(y=-x\) 위에 있으므로 점 \(\mathrm{S}_n\)의 좌표는 \((-b_n, b_n)\)이다.
정사각형 한 변의 길이가 자연수 \(n\)이므로 \(\overline{\mathrm{S}_n\mathrm{R}_n} = a_n - (-b_n) = a_n + b_n = n\)이다. 식 ①을 대입하면
\[a_n + \frac{1}{2}a_n^2 = n \iff a_n^2 + 2a_n - 2n = 0 \quad \cdots \text{②}\]\(a_n \gt 0\)이므로 근의 공식에 의해 \(a_n = -1 + \sqrt{1+2n}\)이다.
① \(n=1\)일 때: \(a_1 = -1+\sqrt{3}\)이고, 식 ①에 의해 \(b_1 = 1 - a_1 = 2-\sqrt{3}\)이다.
\[a_1^2 = 4-2\sqrt{3}, \quad b_1^2 = 7-4\sqrt{3}\]② \(n=4\)일 때: \(a_4 = -1+\sqrt{9} = 2\)이고, 식 ①에 의해 \(b_4 = \frac{1}{2}(2)^2 = 2\)이다.
\[a_4^2 = 4, \quad b_4^2 = 4\]따라서 구하고자 하는 값은
\[a_1^2 + b_1^2 + a_4^2 + b_4^2 = (4-2\sqrt{3}) + (7-4\sqrt{3}) + 4 + 4 = 19 - 6\sqrt{3}\][소문항 (2) 심층 전개 및 종합 판정]
[단계 1: 정수점 개수 판정]
\(a_n + b_n = n\) (자연수)이므로 \(a_n\)과 \(b_n\)은 둘 다 자연수이거나 둘 다 자연수가 아니다.
한 변의 길이가 정수 \(n\)이고 축에 평행한 정사각형에서, 꼭짓점이 정수 좌표이면 각 변 위의 정수점은 \(n+1\)개씩이므로 내부 및 둘레의 정수점 개수는 \(A_n = (n+1)^2\)이다. 꼭짓점이 정수 좌표가 아니면 각 변 방향으로 포함되는 정수는 정확히 \(n\)개씩이므로 \(A_n = n^2\)이다.
[단계 2: \(a_n\)이 자연수가 되는 조건]
\(a_n = -1 + \sqrt{1+2n}\)이 자연수가 되려면 \(1+2n\)이 홀수의 제곱수여야 한다.
\[1+2n = 3^2, 5^2, 7^2, \dots \iff 2n = 8, 24, 48, \dots \iff n = 4, 12, 24, \dots\]따라서 \(1 \le n \le 20\) 범위에서 \(n=4, 12\)일 때만 \(a_n, b_n\)이 자연수가 된다.
\[A_n = \begin{cases} (n+1)^2 & (n = 4, 12) \\ n^2 & (n \ne 4, 12) \end{cases}\][단계 3: 급수의 합 계산]
\[\sum_{n=1}^{20} A_n = \sum_{n=1}^{20} n^2 + \left\{(4+1)^2 - 4^2\right\} + \left\{(12+1)^2 - 12^2\right\}\] \[= \frac{20 \times 21 \times 41}{6} + (25 - 16) + (169 - 144) = 2870 + 9 + 25 = 2904\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 5-1 | 산술-기하평균 또는 판별식으로 \(p=2\sqrt{7}\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 5-1 | 원소 \(q\)를 구하여 \(p+3^q = 3\sqrt{7}\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 5-2 | 두 이차방정식의 실근이 양수임을 보일 수 있다. | 4점 |
| 5-2 | 포함조건을 통해 \(1 \le \alpha, 1 \le \beta\)임을 구할 수 있다. | 4점 |
| 5-2 | 실수 \(a\)의 최댓값 8을 구할 수 있다. | 4점 |
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
집합 \(A\)에서 \(t = 3^x(t \gt 0)\)라 하자. 산술평균과 기하평균의 관계에 의해
\[t + \frac{7}{t} \ge 2\sqrt{t \times \frac{7}{t}} = 2\sqrt{7}\](단, 등호는 \(t = \frac{7}{t}\), 즉 \(t = \sqrt{7}\)일 때 성립한다.)
따라서 부등식 \(t + \frac{7}{t} \le a\)를 만족하는 실수 \(x\)가 오직 하나 존재하기 위해서는 최솟값과 우변이 일치해야 하므로 \(a = 2\sqrt{7}\)이다. 즉 \(p = 2\sqrt{7}\)이다.
이때 \(3^x = \sqrt{7} \implies x = \log_3 \sqrt{7}\)이므로 \(q = \log_3 \sqrt{7}\)이다.
따라서 \(3^q = 3^{\log_3 \sqrt{7}} = \sqrt{7}\)이므로 구하고자 하는 값은
\[p + 3^q = 2\sqrt{7} + \sqrt{7} = 3\sqrt{7}\][소문항 (2) 심층 전개 및 종합 판정]
[단계 1: 이차부등식으로의 변환]
\(t = 3^x \gt 0\)라 하면 집합 \(A, B\)는 다음과 같다.
\[A = \{t \gt 0 \mid t^2 - at + 7 \le 0\}, \quad B = \{t \gt 0 \mid t^2 - (a+1)t + 8 \le 0\}\]\(a \ge 6\)이므로 방정식 \(t^2-at+7=0\)의 판별식은 \(D = a^2-28 \ge 36-28 = 8 \gt 0\)이므로 서로 다른 두 실근 \(\alpha, \beta(\alpha \lt \beta)\)를 갖는다. 두 근의 합과 곱이 모두 양수이므로 \(0 \lt \alpha \lt \beta\)이다.
방정식 \(t^2-(a+1)t+8=0\) 역시 두 양의 실근 \(\alpha_1, \beta_1(\alpha_1 \lt \beta_1)\)을 갖는다.
[단계 2: 포함조건 \(A \subset B\) 분석]
\(A \subset B \iff [\alpha, \beta] \subset [\alpha_1, \beta_1]\)이 성립하기 위해서는 아래 그래프와 같이 \(g(\alpha) \le 0\)이고 \(g(\beta) \le 0\)이어야 한다.
\(g(t) = t^2-(a+1)t+8 = (t^2-at+7) + (-t+1)\)이므로, \(\alpha^2-a\alpha+7=0\)과 \(\beta^2-a\beta+7=0\)을 대입하면
\[g(\alpha) = -\alpha+1 \le 0 \implies \alpha \ge 1, \quad g(\beta) = -\beta+1 \le 0 \implies \beta \ge 1\][단계 3: 실수 \(a\)의 최댓값 도출]
이차방정식 \(f(t) = t^2-at+7=0\)의 두 실근이 모두 \(1\) 이상일 조건은 다음과 같다.
① 판별식: \(D = a^2-28 \gt 0 \implies a \gt 2\sqrt{7}\) (\(a \ge 6\)이므로 만족)
② 대칭축: \(\frac{a}{2} \gt 1 \implies a \gt 2\) (\(a \ge 6\)이므로 만족)
③ 경계값: \(f(1) = 1 - a + 7 \ge 0 \implies a \le 8\)
따라서 \(A \subset B\)를 만족시키는 실수 \(a\)의 범위는 \(6 \le a \le 8\)이며, 최댓값은 \(8\)이다.
| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 1-1 | \(f(1)=16\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 1-1 | \(f(1)+f(8)=1040\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 1-2 | \(n\)이 홀수일 때 \(f(n)=2^{n+3}\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 1-2 | \(n\)이 짝수일 때 \(f(n)=2^{n+2}\)를 구할 수 있다. | 4점 |
| 1-2 | \(\displaystyle\sum_{n=1}^{20} \log_2\{f(n)\} = 260\)을 구할 수 있다. | 4점 |
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
적분구간이 \([-2, 2]\)이므로 홀수 차수의 항은 정적분 값이 \(0\)이다.
① \(n=1\)일 때:
\[f(1) = \int_{-2}^2 (2x + 3x^2)\,dx = \int_{-2}^2 3x^2\,dx = 2\int_0^2 3x^2\,dx = 2\left[x^3\right]_0^2 = 2 \times 8 = 16\]② \(n=8\)일 때:
\[f(8) = \int_{-2}^2 (9x^8 + 10x^9)\,dx = \int_{-2}^2 9x^8\,dx = 2\int_0^2 9x^8\,dx = 2\left[x^9\right]_0^2 = 2 \times 2^9 = 2^{10} = 1024\]따라서 구하고자 하는 값은
\[f(1) + f(8) = 16 + 1024 = 1040\][소문항 (2) 심층 전개 및 종합 판정]
[단계 1: 일반항 \(f(n)\)의 홀·짝 판정]
대칭구간 \([-2, 2]\)에서의 정적분 성질을 적용한다.
① \(n\)이 홀수일 때: \(x^n\)은 기함수이므로 적분하면 \(0\)이고, \(x^{n+1}\)은 우함수이므로
\[f(n) = \int_{-2}^2 (n+2)x^{n+1}\,dx = 2\int_0^2 (n+2)x^{n+1}\,dx = 2\left[x^{n+2}\right]_0^2 = 2 \times 2^{n+2} = 2^{n+3}\] \[\implies \log_2 f(n) = n+3\]② \(n\)이 짝수일 때: \(x^n\)은 우함수이고, \(x^{n+1}\)은 기함수이므로
\[f(n) = \int_{-2}^2 (n+1)x^n\,dx = 2\int_0^2 (n+1)x^n\,dx = 2\left[x^{n+1}\right]_0^2 = 2 \times 2^{n+1} = 2^{n+2}\] \[\implies \log_2 f(n) = n+2\][단계 2: 급수의 합 계산]
\(n = 2k-1\) (홀수)과 \(n = 2k\) (짝수)로 묶어 \(k=1\)부터 \(10\)까지 합산한다.
\[\log_2 f(2k-1) = (2k-1)+3 = 2k+2, \quad \log_2 f(2k) = 2k+2\] \[\sum_{n=1}^{20} \log_2\{f(n)\} = \sum_{k=1}^{10} \left\{\log_2 f(2k-1) + \log_2 f(2k)\right\} = \sum_{k=1}^{10} (4k+4) = 4\sum_{k=1}^{10} (k+1)\] \[= 4 \times \left(\frac{10 \times 11}{2} + 10\right) = 4 \times (55 + 10) = 4 \times 65 = 260\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 2-1 | \(f(x)\)가 \(x=a, -\frac{1}{3}a\)에서 극값을 가짐을 보일 수 있다. | 5점 |
| 2-1 | 방정식을 풀어 \(a=3, -3\)을 구할 수 있다. | 5점 |
| 2-2 | 그래프 개형 분석으로 조건을 만족하는 \(a=-3\)을 구할 수 있다. | 5점 |
| 2-2 | 함숫값 \(f(3)=28\)을 구할 수 있다. | 5점 |
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
\(0\)이 아닌 실수 \(a\)에 대하여 도함수 \(f'(x)\)를 구하면
\[f'(x) = 3x^2 - 2ax - a^2 = (x-a)(3x+a)\]\(a \ne 0\)이므로 \(a \ne -\frac{1}{3}a\)이고, \(f'(x)=0\)은 서로 다른 두 실근 \(x = a, -\frac{1}{3}a\)를 가지므로 함수 \(f(x)\)는 이 두 점에서 극값을 갖는다.
모든 극값의 합을 계산하면
\[f(a) = a^3 - a^3 - a^3 + 1 = -a^3 + 1\] \[f\left(-\frac{1}{3}a\right) = -\frac{1}{27}a^3 - \frac{1}{9}a^3 + \frac{1}{3}a^3 + 1 = \frac{5}{27}a^3 + 1\] \[f(a) + f\left(-\frac{1}{3}a\right) = -\frac{22}{27}a^3 + 2\]조건 (나)에 의해 \(-\frac{22}{27}a^3 + 2 = -\frac{22}{3}a + 2 \implies \frac{22}{27}a^3 = \frac{22}{3}a\)
\(a \ne 0\)이므로 양변을 \(\frac{22}{27}a\)로 나누면 \(a^2 = 9 \implies a = 3\) 또는 \(a = -3\)이다.
[소문항 (2) 심층 전개 및 종합 판정]
\(a^2 = 9\)이므로 부등식 \(f(x)+a^2 \gt 0\)은 \(f(x) \gt -9\)이다. 소문항 (1)의 두 경우를 검토한다.
(ⅰ) \(a = 3\)일 때:
\(f(x) = x^3 - 3x^2 - 9x + 1\)이고 \(x = -1\)에서 극대, \(x = 3\)에서 극소를 갖는다.
\(x \ge 0\)에서 \(f(x)\)의 최솟값은 극솟값인 \(f(3) = 27 - 27 - 27 + 1 = -26\)이다. 따라서 \(f(3) = -26 \gt -9\)는 성립하지 않는다. (모순)
(ⅱ) \(a = -3\)일 때:
\(f(x) = x^3 + 3x^2 - 9x + 1\)이고 \(x = -3\)에서 극대, \(x = 1\)에서 극소를 갖는다.
\(x \ge 0\)에서 \(f(x)\)의 최솟값은 극솟값인 \(f(1) = 1 + 3 - 9 + 1 = -4\)이다. 최솟값이 \(-4 \gt -9\)이므로 \(x \ge 0\)인 모든 실수 \(x\)에 대하여 부등식 \(f(x) \gt -9\)가 항상 성립한다.
따라서 문제의 조건을 만족하는 실수는 \(a = -3\)이며, 구하고자 하는 함숫값은
\[f(3) = 3^3 + 3(3)^2 - 9(3) + 1 = 27 + 27 - 27 + 1 = 28\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 3-1 | \(f(x)+x^2-1 = (x-a)(x+a)(x-b)\)로 표현할 수 있다. | 4점 |
| 3-1 | 연속조건을 연립하여 \(a=2, b=-1\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 3-1 | \(f(3)=12\)를 구할 수 있다. | 4점 |
| 3-2 | \(g(x)=x+1\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 3-2 | 극한값 \(\displaystyle\lim_{x \to -1}\frac{g(x)}{f(x)} = -1\)을 구할 수 있다. | 4점 |
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
[단계 1: 다항함수의 차수 및 최고차항 결정]
조건 (나)에 의해
\[\lim_{x \to \infty} \frac{g(x)}{x} = \lim_{x \to \infty} \frac{f(x)+x^2-1}{x(x^2-a^2)} = 1\]분모가 최고차항 계수가 \(1\)인 \(3\)차 다항식이므로, 극한값이 \(1\)이 되기 위해서는 분자 \(f(x)+x^2-1\) 역시 최고차항의 계수가 \(1\)인 \(3\)차 다항식이어야 한다.
[단계 2: \(x = \pm a\)에서의 연속성 분석]
함수 \(g(x)\)가 \(x = a\)와 \(x = -a\)에서 연속이므로
\[\lim_{x \to a} \frac{f(x)+x^2-1}{x^2-a^2} = 3, \quad \lim_{x \to -a} \frac{f(x)+x^2-1}{x^2-a^2} = -1\]각각의 극한에서 \(x \to \pm a\)일 때 분모가 \(0\)으로 수렴하므로 분자도 \(0\)이어야 한다. 따라서 \(f(x)+x^2-1\)은 \((x-a)\)와 \((x+a)\)를 인수로 갖는다. 그러므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
\[f(x)+x^2-1 = (x-a)(x+a)(x-b) \quad (b\text{는 실수})\][단계 3: \(a, b\) 및 \(f(3)\) 결정]
이를 연속조건에 대입하여 약분하면
\[\lim_{x \to a} (x-b) = a-b = 3, \quad \lim_{x \to -a} (x-b) = -a-b = -1\]두 식을 더하면 \(-2b = 2 \implies b = -1\)이고, 대입하면 \(a - (-1) = 3 \implies a = 2\)이다. (\(a \gt 0\) 만족)
\[f(x)+x^2-1 = (x^2-4)(x+1) = x^3+x^2-4x-4 \implies f(x) = x^3-4x-3\]따라서 구하고자 하는 값은 \(f(3) = 27 - 12 - 3 = 12\)이다.
[소문항 (2) 심층 전개 및 종합 판정]
소문항 (1)의 결과에 의해 \(|x| \ne 2\)에서 함수 \(g(x)\)는 다음과 같다.
\[g(x) = x - b = x - (-1) = x+1\]또한 \(f(x) = x^3-4x-3\)을 인수분해하면 \(f(-1) = -1+4-3=0\)이므로 조립제법에 의해
\[f(x) = (x+1)(x^2-x-3)\]따라서 구하고자 하는 극한값은
\[\lim_{x \to -1} \frac{g(x)}{f(x)} = \lim_{x \to -1} \frac{x+1}{(x+1)(x^2-x-3)} = \lim_{x \to -1} \frac{1}{x^2-x-3}\] \[= \frac{1}{(-1)^2 - (-1) - 3} = \frac{1}{1 + 1 - 3} = \frac{1}{-1} = -1\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 4-1 | \(\cos\theta = \frac{1}{4}\)을 구할 수 있다. (단, \(\angle\mathrm{ACB} = \theta\)) | 4점 |
| 4-1 | 코사인법칙으로 \(\overline{\mathrm{ED}} = \frac{\sqrt{10}}{2}\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 4-2 | 원 \(C_1\)의 반지름 \(\overline{\mathrm{EQ}} = \frac{\sqrt{15}}{3}\)를 구할 수 있다. | 4점 |
| 4-2 | \(\overline{\mathrm{QR}} = \frac{5\sqrt{6}}{12}\)를 구할 수 있다. | 4점 |
| 4-2 | 넓이의 최댓값 \(\frac{5\sqrt{15}}{24} + \frac{5\sqrt{6}}{12}\)를 구할 수 있다. | 4점 |
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
이등변삼각형 \(\mathrm{ABC}\)에서 \(\angle\mathrm{ACB} = \theta\)라 하자. 삼각형 \(\mathrm{ABC}\)에 코사인법칙을 적용하면
\[\cos\theta = \frac{\overline{\mathrm{AC}}^2 + \overline{\mathrm{BC}}^2 - \overline{\mathrm{AB}}^2}{2 \times \overline{\mathrm{AC}} \times \overline{\mathrm{BC}}} = \frac{2^2 + 1^2 - 2^2}{2 \times 2 \times 1} = \frac{1}{4}\]점 \(\mathrm{D}\)가 선분 \(\mathrm{BC}\)를 \(2:1\)로 외분하는 점이므로 \(\overline{\mathrm{BC}} : \overline{\mathrm{CD}} = 1:1 \implies \overline{\mathrm{CD}} = \overline{\mathrm{BC}} = 1\)이다.
원 \(C_1\)이 직선 \(\mathrm{BC}\)와 \(\mathrm{D}\)에서 접하고 직선 \(\mathrm{AC}\)와 \(\mathrm{E}\)에서 접하므로, 점 \(\mathrm{C}\)에서 원 \(C_1\)에 그은 접선의 길이는 서로 같다.
\[\overline{\mathrm{CE}} = \overline{\mathrm{CD}} = 1\]삼각형 \(\mathrm{CDE}\)에서 \(\angle\mathrm{DCE} = \pi - \theta\)이므로 \(\cos(\pi - \theta) = -\cos\theta = -\frac{1}{4}\)이다. 삼각형 \(\mathrm{CDE}\)에 코사인법칙을 적용하면
\[\overline{\mathrm{ED}}^2 = \overline{\mathrm{CE}}^2 + \overline{\mathrm{CD}}^2 - 2 \times \overline{\mathrm{CE}} \times \overline{\mathrm{CD}} \times \cos(\pi - \theta) = 1^2 + 1^2 - 2(1)(1)\left(-\frac{1}{4}\right) = 2 + \frac{1}{2} = \frac{5}{2}\]따라서 선분 \(\mathrm{ED}\)의 길이는 \(\overline{\mathrm{ED}} = \sqrt{\frac{5}{2}} = \frac{\sqrt{10}}{2}\)이다.
[소문항 (2) 심층 전개 및 종합 판정]
[단계 1: 원 \(C_1\)의 중심 \(Q\)와 반지름 결정]
원 \(C_1\)의 중심을 \(Q\)라 하자. \(\angle\mathrm{QDC} = \angle\mathrm{QEC} = 90^\circ\)이므로 사각형 \(\mathrm{QDCE}\)는 선분 \(\mathrm{QC}\)를 지름으로 하는 원에 내접한다. \(\angle\mathrm{DCE} = \pi - \theta\)이므로 \(\angle\mathrm{DQE} = \theta\)이다.
\(\cos\theta = \frac{1}{4}\)이므로 \(\sin\theta = \sqrt{1 - \left(\frac{1}{4}\right)^2} = \frac{\sqrt{15}}{4}\)이다. 삼각형 \(\mathrm{QED}\)의 외접원의 지름이 \(\overline{\mathrm{QC}}\)이므로 사인법칙에 의해
\[\overline{\mathrm{QC}} = \frac{\overline{\mathrm{ED}}}{\sin\theta} = \frac{\frac{\sqrt{10}}{2}}{\frac{\sqrt{15}}{4}} = \frac{2\sqrt{2}}{\sqrt{3}} = \frac{2\sqrt{6}}{3}\]직각삼각형 \(\mathrm{QEC}\)에서 원의 반지름 \(r = \overline{\mathrm{EQ}}\)는 다음과 같다.
\[r^2 = \overline{\mathrm{EQ}}^2 = \overline{\mathrm{QC}}^2 - \overline{\mathrm{EC}}^2 = \left(\frac{2\sqrt{6}}{3}\right)^2 - 1^2 = \frac{24}{9} - 1 = \frac{15}{9} \implies r = \frac{\sqrt{15}}{3}\][단계 2: 삼각형 \(\mathrm{PED}\)의 높이의 최댓값]
직선 \(\mathrm{QC}\)는 이등변삼각형 \(\mathrm{QED}\)의 꼭지각의 이등분선이므로 밑변 \(\overline{\mathrm{ED}}\)를 수직이등분한다. 선분 \(\mathrm{QC}\)와 선분 \(\mathrm{ED}\)의 교점을 \(\mathrm{R}\)이라 하면 \(\overline{\mathrm{ER}} = \frac{1}{2}\overline{\mathrm{ED}} = \frac{\sqrt{10}}{4}\)이다. 직각삼각형 \(\mathrm{EQR}\)에서
\[\overline{\mathrm{QR}}^2 = \overline{\mathrm{EQ}}^2 - \overline{\mathrm{ER}}^2 = \frac{15}{9} - \frac{10}{16} = \frac{5}{3} - \frac{5}{8} = \frac{25}{24} \implies \overline{\mathrm{QR}} = \frac{5}{2\sqrt{6}} = \frac{5\sqrt{6}}{12}\]원 위의 점 \(\mathrm{P}\)에서 직선 \(\mathrm{ED}\)까지의 거리가 최대가 되는 점을 \(\mathrm{P}'\)이라 하면, \(\mathrm{P}'\)은 반직선 \(\mathrm{RQ}\)가 원과 만나는 점이므로 최대 높이는 \(h_{\max} = \overline{\mathrm{QR}} + r = \frac{5\sqrt{6}}{12} + \frac{\sqrt{15}}{3}\)이다.
[단계 3: 넓이의 최댓값 계산]
\[\Delta \mathrm{P'ED} = \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{ED}} \times (\overline{\mathrm{QR}} + \overline{\mathrm{P'Q}}) = \frac{1}{2} \times \frac{\sqrt{10}}{2} \times \left(\frac{5\sqrt{6}}{12} + \frac{\sqrt{15}}{3}\right)\] \[= \frac{\sqrt{10}}{4} \times \frac{5\sqrt{6}}{12} + \frac{\sqrt{10}}{4} \times \frac{\sqrt{15}}{3} = \frac{5\sqrt{60}}{48} + \frac{\sqrt{150}}{12} = \frac{10\sqrt{15}}{48} + \frac{5\sqrt{6}}{12} = \frac{5\sqrt{15}}{24} + \frac{5\sqrt{6}}{12}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 5-1 | \(A_1=2\)를 구할 수 있다. | 4점 |
| 5-1 | \(A_2=5\)를 구할 수 있다. | 4점 |
| 5-2 | 주어진 \(a\)에 대해 순서쌍의 개수가 \(a+1\)개임을 구할 수 있다. | 4점 |
| 5-2 | 일반항 \(A_n = \frac{1}{2}(n^2+3n)\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 5-2 | 급수의 합 \(\displaystyle\sum_{n=1}^{20} A_n = 1750\)을 구할 수 있다. | 4점 |
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
(ⅰ) \(n=1\)일 때:
조건 (가)에 의해 \(a = 1\)이다. 조건 (다)에 \(n=1, a=1\)을 대입하면
\[-1+1+1 - \frac{1}{3} \lt b \le 1+2 + \frac{1}{1-1-1} \iff \frac{2}{3} \lt b \le 2\]\(b\)는 자연수이므로 \(b = 1, 2\)이다. 순서쌍 \((a, b)\)는 \((1, 1), (1, 2)\)의 \(2\)개이므로 \(A_1 = 2\)이다.
(ⅱ) \(n=2\)일 때:
조건 (가)에 의해 \(a \in \{1, 2\}\)이다.
① \(a = 1\)일 때: 조건 (다)에 대입하면
\[-1+2+1 - \frac{1}{4} \lt b \le 2+2 + \frac{1}{1-2-1} \iff \frac{7}{4} \lt b \le \frac{7}{2}\]\(b\)는 자연수이므로 \(b = 2, 3\) (2개: \((1, 2), (1, 3)\))이다.
② \(a = 2\)일 때: 조건 (다)에 대입하면
\[-2+2+1 - \frac{1}{4} \lt b \le 2+2 + \frac{1}{2-2-1} \iff \frac{3}{4} \lt b \le 3\]\(b\)는 자연수이므로 \(b = 1, 2, 3\) (3개: \((2, 1), (2, 2), (2, 3)\))이다.
따라서 순서쌍의 총 개수는 \(2 + 3 = 5\)이므로 \(A_2 = 5\)이다.
[소문항 (2) 심층 전개 및 종합 판정]
[단계 1: 주어진 \(a\)에 대한 \(b\)의 개수 산출]
\(n\) 이하의 자연수 \(a\)에 대하여 조건 (다)의 부등식을 다음과 같이 변형한다.
\[(n-a) + \left(1 - \frac{1}{n+2}\right) \lt b \le (n+2) - \frac{1}{n-a+1} \quad \cdots \text{①}\]\(n \ge 1\)이므로 \(0 \lt 1 - \frac{1}{n+2} \lt 1\)이다. 따라서 부등식 좌변을 만족하는 가장 작은 자연수 \(b\)는 \((n-a)+1\)이다.
또한 \(a \le n\)이므로 \(n-a+1 \ge 1\)이고 \(0 \lt \frac{1}{n-a+1} \le 1\)이다. 따라서 \(n+1 \le (n+2) - \frac{1}{n-a+1} \lt n+2\)이므로 부등식 우변을 만족하는 가장 큰 자연수 \(b\)는 \(n+1\)이다.
그러므로 조건을 만족하는 자연수 \(b\)는
\[b \in \{n-a+1, n-a+2, \dots, n+1\}\]따라서 주어진 \(a\)에 대하여 가능한 \(b\)의 개수는 \((n+1) - (n-a+1) + 1 = a+1\)개이다.
[단계 2: 일반항 \(A_n\) 및 합 계산]
\(a\)가 \(1\)부터 \(n\)까지 변하므로 모든 순서쌍의 개수 \(A_n\)은
\[A_n = \sum_{a=1}^n (a+1) = \frac{n(n+1)}{2} + n = \frac{n^2+3n}{2}\]따라서 구하고자 하는 급수의 합은
\[\sum_{n=1}^{20} A_n = \frac{1}{2}\sum_{n=1}^{20} (n^2+3n) = \frac{1}{2}\left(\frac{20 \times 21 \times 41}{6} + 3 \times \frac{20 \times 21}{2}\right)\] \[= \frac{1}{2}(2870 + 630) = \frac{1}{2} \times 3500 = 1750\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 1-1 | 방정식 \(\sin x = \frac{1}{2}\)의 해 \(x = \frac{\pi}{6}, \frac{5\pi}{6}, \frac{13\pi}{6}, \frac{17\pi}{6}\)를 구할 수 있다. 모든 해를 더한 값 \(6\pi\)를 구할 수 있다. | 4점 2점 |
| 1-2 | \(N(1) = 3\)을 구할 수 있다. \(N(0) + N(1)\)의 값 \(7\)을 구할 수 있다. | 4점 2점 |
| 1-3 | \(N(2) = 2\)와 \(N(3) = 3\)을 구할 수 있다. \(\displaystyle\sum_{n=0}^{10} N(n)\)의 값 \(33\)을 구할 수 있다. | 4점 4점 |
[감점 포인트 1] \(0 \le x \le 3\pi\)의 제한된 정의역을 간과하고 일반해를 적거나 경계 근(\(x = \frac{13\pi}{6}, \frac{17\pi}{6}\))을 누락하면 부분 감점됩니다.
[감점 포인트 2] \(N(n)\)이 주기 \(4\)를 갖는 성질을 밝히지 않고 \(\sum_{n=0}^{10} N(n)\)을 임의로 계산하거나 항의 개수(총 11개)를 잘못 세면 치명적 감점이 발생합니다.
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
구하는 방정식 \(\sin x = \frac{1}{2}\)의 해는 \(y = \sin x\)의 그래프와 직선 \(y = \frac{1}{2}\)의 교점의 \(x\)좌표이다.
\(0 \le x \le 3\pi\)의 범위에서 교점의 \(x\)좌표를 구하면 다음과 같다.
\[x = \frac{\pi}{6}, \quad \frac{5\pi}{6}, \quad \frac{13\pi}{6}, \quad \frac{17\pi}{6}\]따라서 모든 해의 합은
\[\frac{\pi + 5\pi + 13\pi + 17\pi}{6} = \frac{36\pi}{6} = 6\pi\][소문항 (2), (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (2) 풀이]
소문항 (1)에 의해 \(n=0\)일 때 방정식 \(\sin x = \frac{1}{2}\)의 실근의 개수는 \(N(0) = 4\)이다.
\(n=1\)일 때, 주어진 방정식은 \(\sin\left(x - \frac{\pi}{2}\right) = -\cos x = \frac{1}{2} \iff \cos x = -\frac{1}{2}\)이다. \(0 \le x \le 3\pi\)에서 교점의 좌표는 \(x = \frac{2\pi}{3}, \frac{4\pi}{3}, \frac{8\pi}{3}\)의 \(3\)개이므로 \(N(1) = 3\)이다.
따라서 \(N(0) + N(1) = 4 + 3 = 7\)이다.
[소문항 (3) 풀이]
동일한 방법으로 \(n=2\)일 때 \(\sin(x-\pi) = -\sin x = \frac{1}{2} \iff \sin x = -\frac{1}{2}\)이며 실근은 \(x = \frac{7\pi}{6}, \frac{11\pi}{6}\)의 \(2\)개이므로 \(N(2) = 2\)이다.
\(n=3\)일 때 \(\sin\left(x-\frac{3\pi}{2}\right) = \cos x = \frac{1}{2}\)이며 실근은 \(x = \frac{\pi}{3}, \frac{5\pi}{3}, \frac{7\pi}{3}\)의 \(3\)개이므로 \(N(3) = 3\)이다.
\(\sin x\)의 주기가 \(2\pi\)이므로 \(N(n)\)의 값은 주기 \(4\)로 다음과 같이 반복된다.
\[N(0)=N(4)=N(8)=4, \quad N(1)=N(5)=N(9)=3\] \[N(2)=N(6)=N(10)=2, \quad N(3)=N(7)=3\]따라서 구하고자 하는 합은
\[\sum_{n=0}^{10} N(n) = 3N(0) + 3N(1) + 3N(2) + 2N(3) = 3(4 + 3 + 2) + 2(3) = 27 + 6 = 33\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 2-1 | 점 \(\mathrm{A}\)의 \(x\)좌표 \(3\)을 구할 수 있다. 점 \(\mathrm{A}\)의 좌표 \((3, 1)\)을 구할 수 있다. | 3점 3점 |
| 2-2 | \(\overline{\mathrm{BC}} = 2a - 2\)를 구할 수 있다. 조건을 만족하는 자연수 \(a\)의 개수 \(449\)개를 구할 수 있다. | 4점 3점 |
| 2-3 | \(\overline{\mathrm{BD}} = 3^a - 9 \times 3^{-a}\)를 구할 수 있다. 조건을 만족하는 \(a\)의 값 \(2\)를 구할 수 있다. | 4점 3점 |
[감점 포인트 1] 점 \(\mathrm{B}\)의 \(x\)좌표가 점 \(\mathrm{A}\)의 \(x\)좌표(\(3\))보다 크다는 조건으로부터 \(a \gt 1\)임을 명시하지 않으면 감점됩니다.
[감점 포인트 2] 부등식 \(100 \lt 2a-2 \lt 1000\)에서 양 끝이 열린 부등호이므로 자연수의 개수가 \(500 - 52 + 1 = 449\)개임을 정확히 세어야 하며, \(500-51\) 등으로 계산 실수하지 않도록 주의해야 합니다.
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
두 함수의 교점 \(\mathrm{A}\)의 \(x\)좌표는 방정식 \(\log_3 x = \log_3 \frac{9}{x}\)의 해와 같다.
\[x = \frac{9}{x} \quad (x \gt 0) \implies x^2 = 9 \implies x = 3\]또한 점 \(\mathrm{A}\)의 \(y\)좌표는 \(\log_3 3 = 1\)이다. 따라서 점 \(\mathrm{A}\)의 좌표는 \((3, 1)\)이다.
[소문항 (2) 전반부: 점 \(\mathrm{B}, \mathrm{C}\)의 좌표 분석]
점 \(\mathrm{B}\)의 \(y\)좌표가 \(a\)이므로 점 \(\mathrm{B}\)의 \(x\)좌표는 \(a = \log_3 x \implies x = 3^a\)이다. 점 \(\mathrm{B}\)의 \(x\)좌표가 점 \(\mathrm{A}\)의 \(x\)좌표(\(3\))보다 크므로 \(3^a \gt 3 \iff a \gt 1\)이다.
점 \(\mathrm{C}\)는 점 \(\mathrm{B}\)와 \(x\)좌표가 같으므로 \(x = 3^a\)를 대입하면 \(y = \log_3 \frac{9}{3^a} = \log_3 9 - \log_3 3^a = 2 - a\)이다.
[소문항 (2), (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (2) 후반부 풀이]
선분 \(\overline{\mathrm{BC}}\)의 길이는 두 점의 \(y\)좌표의 차이이므로
\[\overline{\mathrm{BC}} = y_{\mathrm{B}} - y_{\mathrm{C}} = a - (2-a) = 2a - 2\]문제의 조건에 의해 \(100 \lt 2a - 2 \lt 1000\)이므로
\[102 \lt 2a \lt 1002 \iff 51 \lt a \lt 501\]\(a\)는 자연수이므로 부등식을 만족시키는 \(a\)의 개수는
\[500 - 52 + 1 = 449\text{ (개)}\][소문항 (3) 풀이]
점 \(\mathrm{D}\)의 \(y\)좌표가 \(a\)이므로 점 \(\mathrm{D}\)의 \(x\)좌표는 \(a = \log_3 \frac{9}{x} \iff \frac{9}{x} = 3^a \iff x = 9 \times 3^{-a}\)이다.
점 \(\mathrm{B}\)와 \(\mathrm{D}\)의 \(y\)좌표가 같으므로 선분 \(\overline{\mathrm{BD}}\)의 길이는
\[\overline{\mathrm{BD}} = x_{\mathrm{B}} - x_{\mathrm{D}} = 3^a - 9 \times 3^{-a}\]주어진 조건 \(\overline{\mathrm{BD}} = 8\)에 의해
\[3^a - 9 \times 3^{-a} = 8 \implies (3^a)^2 - 8 \times 3^a - 9 = 0\] \[(3^a - 9)(3^a + 1) = 0\]\(3^a \gt 0\)이므로 \(3^a + 1 \neq 0\)이고, \(3^a = 9 \implies a = 2\)이다.
| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 3-1 | \(g(0)=3c=18, g'(0)=2c+3b=0\)을 통해 \(b+c\)의 값 \(2\)를 구할 수 있다. | 5점 |
| 3-2 | 접선의 방정식이 \((0, 2)\)를 지남을 이용하여 \(a\)의 값 \(2\)를 구할 수 있다. | 5점 |
| 3-3 | 극댓값 \(14\)를 구할 수 있다. 극솟값 \(\frac{122}{27}\)를 구할 수 있다. | 3점 2점 |
| 3-4 | 최댓값 \(39\)를 구할 수 있다. 최솟값 \(\frac{122}{27}\)를 구할 수 있다. | 3점 2점 |
[감점 포인트 1] 곱의 미분법에서 \(g'(0) = 2c + 3b = 0\)과 \(g(0) = 3c = 18\)을 연립하여 \(c=6, b=-4\)를 이끌어낼 때 부호 전개 실수가 잦습니다.
[감점 포인트 2] 닫힌구간 \([-3, 3]\)에서 최댓값과 최솟값을 판정할 때 극값뿐만 아니라 양 끝점 \(f(-3)=9, f(3)=39\)를 반드시 함께 대조하여 제시해야 만점을 인정받습니다.
[소문항 (1), (2) 해설 및 모범 답안]
[소문항 (1) 풀이]
\(g(x) = (x^2+2x+3)f(x)\)라고 하자. 조건 (가)로부터 \(g'(0) = 0\) 및 \(g(0) = 18\)이다.
\[g'(x) = (2x+2)f(x) + (x^2+2x+3)f'(x)\] \[g(0) = 3f(0) = 3c = 18 \implies c = 6\] \[g'(0) = 2f(0) + 3f'(0) = 2c + 3b = 0 \implies 2(6) + 3b = 0 \implies b = -4\]따라서 \(b+c = -4 + 6 = 2\)이다.
[소문항 (2) 풀이]
\(f(x) = x^3 + ax^2 - 4x + 6\)이므로 \(f(1) = 1 + a - 4 + 6 = a + 3\)이다.
\(f'(x) = 3x^2 + 2ax - 4\)이므로 \(f'(1) = 3 + 2a - 4 = 2a - 1\)이다.
조건 (나)에 의해 점 \((1, f(1))\)에서의 접선의 방정식은 \(y - (a+3) = (2a-1)(x-1)\)이다.
이 직선이 점 \((0, 2)\)를 지나므로
\[2 - (a+3) = (2a-1)(0-1) \implies -a-1 = -2a+1 \implies a = 2\][소문항 (3), (4) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (3) 풀이]
\(f(x) = x^3 + 2x^2 - 4x + 6\)이므로 \(f'(x) = 3x^2 + 4x - 4 = (3x-2)(x+2) = 0\)
\(x = -2\) 또는 \(x = \frac{2}{3}\)이다. 함수 \(f(x)\)의 증감표는 다음과 같다.
| \(x\) | \(\dots\) | \(-2\) | \(\dots\) | \(\frac{2}{3}\) | \(\dots\) |
| \(f'(x)\) | \(+\) | \(0\) | \(-\) | \(0\) | \(+\) |
| \(f(x)\) | \(\nearrow\) | \(14\) | \(\searrow\) | \(\frac{122}{27}\) | \(\nearrow\) |
따라서 \(x = -2\)에서 극댓값 \(14\)를 갖고, \(x = \frac{2}{3}\)에서 극솟값 \(\frac{122}{27}\)를 갖는다.
[소문항 (4) 풀이]
닫힌구간 \([-3, 3]\)에서 경계값을 계산하면
\[f(-3) = (-3)^3 + 2(-3)^2 - 4(-3) + 6 = -27 + 18 + 12 + 6 = 9\] \[f(3) = 3^3 + 2(3)^2 - 4(3) + 6 = 27 + 18 - 12 + 6 = 39\]극댓값 \(14\), 극솟값 \(\frac{122}{27}\), 경계값 \(9, 39\)를 비교하면 최댓값은 \(39\)이고, 최솟값은 \(\frac{122}{27}\)이다.
| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 4-1 | \((3+2a+b)+(12+4a+b)=1\), \((3+2a+b)(12+4a+b)=-2\) 식을 세울 수 있다. \(b \lt 10\) 조건을 이용하여 \(a+b\)의 값 \(-1\)을 구할 수 있다. | 3점 3점 |
| 4-2 | 점 \(\mathrm{R}\)의 좌표가 \((t, c)\)임을 파악하고 \(t\)의 값 \(0\)을 구할 수 있다. | 7점 |
| 4-3 | 정적분 식 \(\displaystyle\int_0^1 (x^3-3x^2+2x+c)\,dx = 1\)을 세울 수 있다. \(c\)의 값 \(\frac{3}{4}\)을 구할 수 있다. | 3점 4점 |
[감점 포인트 1] 두 접선의 기울기의 합과 곱으로 세운 이차방정식의 두 해 중 조건 \(b \lt 10\)을 적용하여 \(a=-3, b=2\)를 유일하게 채택하는 근거를 반드시 서술해야 합니다.
[감점 포인트 2] 세 점 \(\mathrm{P, Q, R}\)이 일직선 위에 있을 때 기울기가 \(0\)이 되어 \(f(1)=f(2)=f(t)=c\)임을 논리적으로 밝히고 \(t \neq 1, 2\)이므로 \(t=0\)임을 논증해야 합니다.
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
\(f'(x) = 3x^2 + 2ax + b\)이므로 점 \(\mathrm{P}(1, f(1))\)에서의 접선의 기울기는 \(f'(1) = 3+2a+b\)이고, 점 \(\mathrm{Q}(2, f(2))\)에서의 접선의 기울기는 \(f'(2) = 12+4a+b\)이다.
조건 (가)와 (나)에 의해
\[(3+2a+b) + (12+4a+b) = 1 \implies 6a+2b = -14 \implies b = -3a - 7 \quad \cdots\text{①}\] \[(3+2a+b)(12+4a+b) = -2 \quad \cdots\text{②}\]식 ①을 식 ②에 대입하여 정리하면
\[(-a-4)(a+5) = -2 \implies -(a^2+9a+20) = -2 \implies a^2+9a+18 = 0\] \[(a+3)(a+6) = 0 \implies a = -3 \text{ 또는 } a = -6\]\(a = -3\)일 때 \(b = 2\), \(a = -6\)일 때 \(b = 11\)이다. 조건 (다)에서 \(b \lt 10\)이므로 \(a = -3, b = 2\)이다.
따라서 \(a+b = -3 + 2 = -1\)이다.
[소문항 (2), (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (2) 풀이]
\(f(x) = x^3 - 3x^2 + 2x + c\)이다. 점 \(\mathrm{P}\)와 \(\mathrm{Q}\)의 \(y\)좌표를 구하면
\[f(1) = 1 - 3 + 2 + c = c, \quad f(2) = 8 - 12 + 4 + c = c\]두 점 \(\mathrm{P}(1, c), \mathrm{Q}(2, c)\)를 지나는 직선은 \(y = c\)이다. 조건 (라)에 의해 점 \(\mathrm{R}(t, f(t))\) 역시 직선 \(y = c\) 위에 있으므로 \(f(t) = c\)이다.
\[t^3 - 3t^2 + 2t + c = c \implies t(t-1)(t-2) = 0\]\(\mathrm{P, Q, R}\)은 서로 다른 점이므로 \(t \neq 1, t \neq 2\)이다. 따라서 \(t = 0\)이다.
[소문항 (3) 풀이]
조건 (다)에서 \(c \gt 0\)이므로 구간 \([0, 1]\)에서 \(f(x) \gt 0\)이다. 곡선과 \(x\)축 및 두 직선 \(x=0, x=1\)로 둘러싸인 부분의 넓이가 \(1\)이므로
\[\int_0^1 (x^3 - 3x^2 + 2x + c)\,dx = 1 \implies \left[\frac{1}{4}x^4 - x^3 + x^2 + cx\right]_0^1 = 1\] \[\frac{1}{4} - 1 + 1 + c = 1 \implies \frac{1}{4} + c = 1 \implies c = \frac{3}{4}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 5-1 | 전체 넓이 \(\frac{1}{2} \times 40 \times k = 1\)로부터 \(k\)의 값 \(\frac{1}{20}\)을 구할 수 있다. | 5점 |
| 5-2 | 확률 식 \(P(X \ge 30) = \frac{1}{2}(40-30)\left\{\frac{30-a}{20(a-40)} + \frac{1}{20}\right\}\)을 구할 수 있다. 정리한 식 \(P(X \ge 30) = \frac{5}{80-2a}\)를 구할 수 있다. | 5점 3점 |
| 5-3 | 확률이 최소가 되는 \(a\)의 값 \(10\)을 구할 수 있다. 그때의 확률값 \(\frac{1}{12}\)을 구할 수 있다. | 4점 3점 |
[감점 포인트 1] 확률밀도함수의 기본 성질인 전체 넓이 \(\int_0^{40} f(x)\,dx = 1\)을 이용하여 \(k = \frac{1}{20}\)을 구하는 정규화 과정을 명시하지 않으면 감점됩니다.
[감점 포인트 2] \(10 \le a \le 20\)이므로 \(x \ge 30\) 영역이 우측 하강 구간에만 포함됨을 명확히 하고, \(P(X \ge 30) = \frac{5}{80-2a}\)가 \(a\)에 대해 증가함수이므로 최솟값은 \(a=10\)에서 발생함을 증명해야 합니다.
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
함수 \(f(x)\)의 그래프와 \(x\)축으로 둘러싸인 부분의 전체 넓이는 확률의 총합인 \(1\)이어야 한다.
\[P(0 \le X \le 40) = \frac{1}{2} \times 40 \times k = 1 \implies 20k = 1 \implies k = \frac{1}{20}\][소문항 (2) 전반부 풀이]
\(10 \le a \le 20\)이므로 \(a \le 30\)이다. 따라서 \(x \ge 30\) 구간에서는 우측의 일차함수 식을 따른다.
\[f(x) = \frac{1/20}{a-40}(x-a) + \frac{1}{20} = \frac{x-a + (a-40)}{20(a-40)} = \frac{x-40}{20(a-40)} = \frac{40-x}{20(40-a)}\][소문항 (2), (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (2) 완결]
\(P(X \ge 30)\)은 \(30 \le x \le 40\)에서 직각삼각형의 넓이와 같다.
\[f(30) = \frac{40-30}{20(40-a)} = \frac{10}{20(40-a)} = \frac{1}{2(40-a)}\] \[P(X \ge 30) = \frac{1}{2} \times (40 - 30) \times f(30) = \frac{1}{2} \times 10 \times \frac{1}{2(40-a)} = \frac{5}{2(40-a)} = \frac{5}{80-2a}\][소문항 (3) 풀이]
\(10 \le a \le 20\)의 닫힌구간에서 분모 \(80 - 2a\)는 \(a\)가 증가할수록 감소하므로, 분수식 \(P(X \ge 30) = \frac{5}{80-2a}\)는 \(a\)에 대하여 단조증가함수이다.
따라서 확률이 가장 작은 값은 정의역의 최솟값인 \(a = 10\)일 때이다.
\(a = 10\)일 때의 최솟값은 다음과 같다.
\[P(X \ge 30) = \frac{5}{80 - 2(10)} = \frac{5}{60} = \frac{1}{12}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 6-1 | 사인법칙을 적용하여 \(\overline{\mathrm{BC}}\)의 값 \(\sqrt{15}\)를 구할 수 있다. | 6점 |
| 6-2 | 코사인법칙 \(15 = b^2+c^2 - 2bc \times \frac{1}{2}\)을 세울 수 있다. \(\overline{\mathrm{AC}} \times \overline{\mathrm{AB}}\)의 값 \(11\)을 구할 수 있다. | 3점 4점 |
| 6-3 | \(b+c = 4\sqrt{3}\)을 구할 수 있다. \((\overline{\mathrm{AB}} + \overline{\mathrm{BC}} + \overline{\mathrm{AC}} - \sqrt{15})^2\)의 값 \(48\)을 구할 수 있다. | 4점 3점 |
[감점 포인트 1] 사인법칙 적용 시 외접원의 지름이 \(2R = 2\sqrt{5}\)임을 정확히 대입해야 하며, 지름과 반지름을 혼동하여 계산하면 연쇄 감점됩니다.
[감점 포인트 2] 코사인법칙 식 \(15 = b^2+c^2 - bc\)를 변형할 때 \((b-c)^2 + bc = 15\)와 \((b+c)^2 - 3bc = 15\)의 관계를 명쾌하게 서술하지 않고 비약하면 감점될 수 있습니다.
[소문항 (1), (2) 해설 및 모범 답안]
\(a = \overline{\mathrm{BC}}, b = \overline{\mathrm{AC}}, c = \overline{\mathrm{AB}}\)라 하자.
[소문항 (1) 풀이]
\(\angle\mathrm{BAC} = 60^\circ\)이고 외접원의 반지름이 \(R = \sqrt{5}\)이므로 사인법칙에 의해
\[\frac{a}{\sin A} = 2R \implies a = 2R\sin A = 2\sqrt{5}\sin 60^\circ = 2\sqrt{5} \times \frac{\sqrt{3}}{2} = \sqrt{15}\]따라서 \(\overline{\mathrm{BC}} = \sqrt{15}\)이다.
[소문항 (2) 풀이]
코사인법칙 \(a^2 = b^2+c^2 - 2bc\cos A\)에 의해
\[15 = b^2+c^2 - 2bc\cos 60^\circ = b^2+c^2 - bc\]조건 (나)에서 \(b - c = 2\)이므로 \(b^2+c^2 = (b-c)^2 + 2bc = 4 + 2bc\)이다. 이를 대입하면
\[(4+2bc) - bc = 15 \implies 4 + bc = 15 \implies bc = 11\]따라서 \(\overline{\mathrm{AC}} \times \overline{\mathrm{AB}} = 11\)이다.
[소문항 (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (3) 풀이]
삼각형 \(\mathrm{ABC}\)의 둘레의 길이에서 \(\sqrt{15}\)를 뺀 값의 제곱을 구하는 문제이다.
소문항 (1)과 (2)에서 \(a = \sqrt{15}\)이고 \(bc = 11\)임을 구하였다.
식 \(b^2+c^2 - bc = 15\)를 곱셈공식 \((b+c)^2 - 3bc = 15\)로 변형하면
\[(b+c)^2 - 3(11) = 15 \implies (b+c)^2 = 15 + 33 = 48 \implies b+c = \sqrt{48} = 4\sqrt{3}\]따라서 삼각형의 세 변의 합은
\[\overline{\mathrm{AB}} + \overline{\mathrm{BC}} + \overline{\mathrm{AC}} = a + b + c = \sqrt{15} + 4\sqrt{3}\]구하고자 하는 식의 값은
\[(\overline{\mathrm{AB}} + \overline{\mathrm{BC}} + \overline{\mathrm{AC}} - \sqrt{15})^2 = (4\sqrt{3} + \sqrt{15} - \sqrt{15})^2 = (4\sqrt{3})^2 = 48\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 7-1 | \(2\)회 통과 후 유해물질의 양 \(8\,\mathrm{g}\)을 구할 수 있다. | 5점 |
| 7-2 | \(4\)회 통과 후 유해물질의 양 \(\frac{128}{25}\,\mathrm{g}\) (또는 \(5.12\,\mathrm{g}\))을 구할 수 있다. | 6점 |
| 7-3 | \(n\)회 통과 시 잔여량 식 \(8(1-0.2)^{n-2} = 8\left(\frac{8}{10}\right)^{n-2} (n \ge 3)\)을 세울 수 있다. 상용로그를 취하여 최소 통과 횟수 \(22\)회를 구할 수 있다. | 5점 4점 |
[감점 포인트 1] \(1\)회 후 \(80\%\) 제거, \(2\)회 후 \(60\%\) 제거, \(3\)회 이후 \(20\%\)씩 제거되는 규칙을 정확히 반영하여 일반항 \(8(0.8)^{n-2} (n \ge 3)\)을 세워야 합니다.
[감점 포인트 2] 부등식에 상용로그를 취할 때 \(\log 0.8 = 3\log 2 - 1 \lt 0\)이므로 음수로 나눌 때 부등호 방향이 반대로 바뀜을 반드시 주의해야 합니다.
[소문항 (1), (2) 해설 및 모범 답안]
[소문항 (1) 풀이]
\(1\)회 통과 후 잔여 유해물질의 양은 \(100 \times (1 - 0.8) = 100 \times 0.2 = 20\,\mathrm{g}\)이다.
\(2\)회 통과 후 잔여 유해물질의 양은 \(20 \times (1 - 0.6) = 20 \times 0.4 = 8\,\mathrm{g}\)이다.
[소문항 (2) 풀이]
\(3\)회 통과부터는 매회 \(20\%\)씩 제거되므로 통과할 때마다 \(1 - 0.2 = 0.8 = \frac{4}{5}\)배가 된다.
\(4\)회 통과 후 혼합물에 포함된 유해물질의 양은
\[8 \times (1 - 0.2)^2 = 8 \times (0.8)^2 = 8 \times 0.64 = \frac{128}{25}\,\mathrm{g} \quad (\text{또는 } 5.12\,\mathrm{g})\][소문항 (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (3) 풀이]
여과기를 \(n\)번 통과했을 때 유해물질의 잔여량 식은 다음과 같다.
\[8 \times (1 - 0.2)^{n-2} = 8 \times (0.8)^{n-2} = 8 \times \left(\frac{8}{10}\right)^{n-2} \quad (n \ge 3)\]유해물질의 양이 \(0.1\,\mathrm{g}\) 이하가 되기 위한 조건은
\[8 \times \left(\frac{8}{10}\right)^{n-2} \le 10^{-1}\]양변에 상용로그를 취하면
\[\log 8 + (n-2)(\log 8 - 1) \le -1\] \[3\log 2 + (n-2)(3\log 2 - 1) \le -1\] \[3\log 2 + n(3\log 2 - 1) - 6\log 2 + 2 \le -1\] \[n(3\log 2 - 1) \le 3\log 2 - 3\]\(3\log 2 - 1 = 3(0.3010) - 1 = 0.9030 - 1 = -0.0970 \lt 0\)이므로 양변을 나눌 때 부등호 방향이 바뀐다.
\[n \ge \frac{3 - 3\log 2}{1 - 3\log 2} = \frac{3(1 - 0.3010)}{1 - 0.9030} = \frac{3 \times 0.6990}{0.0970} = \frac{2.097}{0.097} \approx 21.618\]따라서 부등식을 만족시키는 최소 자연수 \(n\)은 \(22\)회이다.
| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 8-1 | \(f(-x)=f(x)\)로부터 \(a=0, c=0\)을 구하고 \(f(0)=6\)에서 \(a+c+d\)의 값 \(6\)을 구할 수 있다. | 5점 |
| 8-2 | 극솟값이 \(-3\)임을 도출할 수 있다. \(b\)의 값 \(-6\)을 구할 수 있다. | 3점 4점 |
| 8-3 | 닫힌구간 \([1, 2]\)에서 최댓값 \(1\)을 구할 수 있다. 최솟값 \(-3\)을 구할 수 있다. | 4점 4점 |
[감점 포인트 1] \(f(-x) = f(x)\)로부터 홀수차수 계수 \(a=0, c=0\)임을 항등식 원리로 명시해야 합니다.
[감점 포인트 2] \(f(0)=6 \gt 3\)이므로 \(|f(x)| = 3\)이 \(6\)개의 실근을 가지려면 극솟값이 반드시 \(-3\)이어야 함을 그래프 개형과 함께 논리적으로 서술해야 감점을 피할 수 있습니다.
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
모든 실수 \(x\)에 대하여 \(f(-x) = f(x)\)이므로
\[x^4 - ax^3 + bx^2 - cx + d = x^4 + ax^3 + bx^2 + cx + d \implies 2ax^3 + 2cx = 0\]이 식이 \(x\)에 관한 항등식이므로 \(a = 0, c = 0\)이다. 또한 조건 (다)에서 \(f(0) = 6\)이므로 \(d = 6\)이다.
따라서 \(a + c + d = 0 + 0 + 6 = 6\)이다.
[소문항 (2) 전반부 풀이]
\(f(x) = x^4 + bx^2 + 6\)이다. \(f'(x) = 4x^3 + 2bx = 2x(2x^2 + b) = 0\)
방정식 \(|f(x)| = 3\)이 서로 다른 \(6\)개의 실근을 가지려면, \(y=f(x)\)의 그래프가 \(W\)자 형태여야 하므로 \(b \lt 0\)이어야 한다.
\(f'(x) = 0\)의 해는 \(x = 0\) 또는 \(x = \pm\sqrt{-\frac{b}{2}}\)이다.
[소문항 (2), (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (2) 완결]
\(f(0) = 6 \gt 3\)이므로, \(|f(x)| = 3\)이 서로 다른 \(6\)개의 실근을 가지려면 두 극솟값이 반드시 \(-3\)이어야 한다.
\[x^2 = -\frac{b}{2} \implies f\left(\pm\sqrt{-\frac{b}{2}}\right) = \left(-\frac{b}{2}\right)^2 + b\left(-\frac{b}{2}\right) + 6 = \frac{b^2}{4} - \frac{b^2}{2} + 6 = -\frac{b^2}{4} + 6\] \[-\frac{b^2}{4} + 6 = -3 \implies \frac{b^2}{4} = 9 \implies b^2 = 36 \implies b = -6 \quad (b \lt 0)\][소문항 (3) 풀이]
\(f(x) = x^4 - 6x^2 + 6\)이며, \(f'(x) = 4x(x^2 - 3) = 0\)의 해는 \(x = 0, \pm\sqrt{3}\)이다.
닫힌구간 \([1, 2]\)에서 극값 및 경계값을 계산하면
\[f(1) = 1 - 6 + 6 = 1, \quad f(\sqrt{3}) = 9 - 18 + 6 = -3, \quad f(2) = 16 - 24 + 6 = -2\]따라서 닫힌구간 \([1, 2]\)에서 최댓값은 \(1\), 최솟값은 \(-3\)이다.
| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 9-1 | \(g(0)\)의 값 \(\frac{1}{2}\)을 구할 수 있다. | 4점 |
| 9-2 | 구간 분할 적분 식 \(g(a) = \displaystyle\int_{-1}^a f(x)\,dx - \int_a^1 f(x)\,dx\)를 세울 수 있다. \(g(a) = -\frac{1}{6}a^4 + a^2 + \frac{1}{2}\)를 구할 수 있다. | 3점 3점 |
| 9-3 | 적분 식 \(g(a) = \displaystyle\int_{-1}^1 (x^3-ax^2-x+a)\,dx\)를 세울 수 있다. \(g(a) = \frac{4}{3}a\)를 구할 수 있다. | 3점 3점 |
| 9-4 | 최댓값 \(\frac{8}{3}\)을 구할 수 있다. 최솟값 \(\frac{1}{2}\)을 구할 수 있다. | 2점 2점 |
[감점 포인트 1] \(f(x) = (x^2-1)(x-a)\)의 근 \(-1, a, 1\)의 위치 관계에 따라 \(0 \le a \le 1\)과 \(a \ge 1\)로 엄밀히 구간을 분할하여 적분해야 합니다.
[감점 포인트 2] \(0 \le a \le 1\)에서 \([-1, a]\)에서는 \(f(x) \ge 0\), \([a, 1]\)에서는 \(f(x) \le 0\)이므로 부호를 반대로 바꾸어 적분하는 과정을 수식으로 명확히 표현해야 합니다.
[소문항 (1), (2) 해설 및 모범 답안]
[소문항 (1) 풀이]
\(a = 0\)일 때 \(f(x) = x^3 - x\)이다. 우함수 성질을 이용하면
\[g(0) = \int_{-1}^1 |x^3 - x|\,dx = 2\int_0^1 (x - x^3)\,dx = 2\left[\frac{1}{2}x^2 - \frac{1}{4}x^4\right]_0^1 = 2\left(\frac{1}{2} - \frac{1}{4}\right) = \frac{1}{2}\][소문항 (2) 풀이]
\(f(x) = x^3 - ax^2 - x + a = x^2(x-a) - (x-a) = (x^2-1)(x-a) = (x-1)(x+1)(x-a)\)
\(0 \le a \le 1\)일 때, \([-1, a]\)에서는 \(f(x) \ge 0\)이고 \([a, 1]\)에서는 \(f(x) \le 0\)이다.
\[g(a) = \int_{-1}^a (x^3-ax^2-x+a)\,dx - \int_a^1 (x^3-ax^2-x+a)\,dx\]부정적분 \(F(x) = \frac{1}{4}x^4 - \frac{a}{3}x^3 - \frac{1}{2}x^2 + ax\)에 대하여 계산하면
\[g(a) = 2F(a) - F(1) - F(-1) = -\frac{1}{6}a^4 + a^2 + \frac{1}{2}\][소문항 (3), (4) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (3) 풀이]
\(a \ge 1\)일 때, 구간 \([-1, 1]\)에서 \(f(x) \ge 0\)이다.
\[g(a) = \int_{-1}^1 (x^3 - ax^2 - x + a)\,dx = 2\int_0^1 (-ax^2 + a)\,dx = 2a\left[-\frac{1}{3}x^3 + x\right]_0^1 = 2a\left(\frac{2}{3}\right) = \frac{4}{3}a\][소문항 (4) 풀이]
\(0 \le a \le 1\)에서 \(g'(a) = -\frac{2}{3}a^3 + 2a = 2a\left(1 - \frac{1}{3}a^2\right)\)이며, \(0 \lt a \lt 1\)에서 \(g'(a) \gt 0\)이므로 \(g(a)\)는 단조증가한다.
\(1 \le a \le 2\)에서 \(g(a) = \frac{4}{3}a\)이므로 기울기가 \(\frac{4}{3} \gt 0\)인 단조증가 일차함수이다.
따라서 닫힌구간 \([0, 2]\)에서 \(g(a)\)는 연속이며 단조증가하므로
\[\text{최댓값: } g(2) = \frac{4}{3}(2) = \frac{8}{3}, \quad \text{최솟값: } g(0) = \frac{1}{2}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 10-1 | \(E(2X+5)\)의 값 \(\frac{28}{3}\)을 구할 수 있다. | 5점 |
| 10-2 | \(p_1 = \frac{1}{3}\)을 구할 수 있다. \(P(X=2)\)의 값 \(\frac{1}{6}\)을 구할 수 있다. | 2점 3점 |
| 10-3 | \(V(X)\)의 값 \(\frac{29}{36}\)를 구할 수 있다. | 5점 |
| 10-4 | \(V(2\overline{X}+5)\)의 값 \(\frac{29}{27}\)를 구할 수 있다. | 5점 |
[감점 포인트 1] 표본평균의 기댓값 \(E(\overline{X})\)가 모평균 \(E(X)\)와 일치한다는 대원칙(\(E(X) = 13/6\))을 명시해야 합니다.
[감점 포인트 2] \(V(2\overline{X}+5) = 4V(\overline{X}) = 4 \times \frac{V(X)}{n}\)에서 표본 크기 \(n=3\)으로 나누는 과정을 빠뜨리고 계산하면 정답이 틀려 전액 감점됩니다.
[소문항 (1), (2) 해설 및 모범 답안]
[소문항 (1) 풀이]
표본평균의 기댓값은 모평균과 일치하므로 \(E(X) = E(\overline{X}) = \frac{13}{6}\)이다.
\[E(2X+5) = 2E(X) + 5 = 2\left(\frac{13}{6}\right) + 5 = \frac{13}{3} + 5 = \frac{28}{3}\][소문항 (2) 풀이]
확률의 총합은 \(1\)이므로 \(p_1 + p_2 + p_3 = 1 \quad \cdots\text{①}\)
모평균 \(E(X) = 1 \cdot p_1 + 2 \cdot p_2 + 3 \cdot p_3 = \frac{13}{6} \quad \cdots\text{②}\)
크기가 \(3\)인 표본을 임의추출할 때 표본평균 \(\overline{X} = 1\)인 경우는 세 표본이 모두 \(1\)인 경우뿐이므로
\[P(\overline{X} = 1) = p_1^3 = \frac{1}{27} \implies p_1 = \frac{1}{3}\]이를 식 ①, ②에 대입하여 연립하면
\[p_2 + p_3 = \frac{2}{3}, \quad 2p_2 + 3p_3 = \frac{13}{6} - \frac{1}{3} = \frac{11}{6}\] \[p_3 = \frac{11}{6} - 2\left(\frac{2}{3}\right) = \frac{11}{6} - \frac{8}{6} = \frac{3}{6} = \frac{1}{2}, \quad p_2 = \frac{2}{3} - \frac{1}{2} = \frac{1}{6}\]따라서 \(P(X = 2) = p_2 = \frac{1}{6}\)이다.
[소문항 (3), (4) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (3) 풀이]
모집단의 분산 \(V(X) = E(X^2) - \{E(X)\}^2\)이다.
\[E(X^2) = 1^2 \cdot p_1 + 2^2 \cdot p_2 + 3^2 \cdot p_3 = 1\left(\frac{1}{3}\right) + 4\left(\frac{1}{6}\right) + 9\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{1}{3} + \frac{2}{3} + \frac{9}{2} = 1 + \frac{9}{2} = \frac{11}{2}\] \[\{E(X)\}^2 = \left(\frac{13}{6}\right)^2 = \frac{169}{36}\] \[V(X) = \frac{11}{2} - \frac{169}{36} = \frac{198 - 169}{36} = \frac{29}{36}\][소문항 (4) 풀이]
표본의 크기가 \(n = 3\)이므로 표본평균의 분산은
\[V(\overline{X}) = \frac{V(X)}{n} = \frac{29/36}{3} = \frac{29}{108}\]따라서 구하고자 하는 분산은 다음과 같다.
\[V(2\overline{X} + 5) = 2^2 V(\overline{X}) = 4 \times \frac{29}{108} = \frac{29}{27}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 1-1 | 케이블의 총 연결 비용 \(\frac{21}{4}\)을 구할 수 있다. | 5점 |
| 1-2 | \(f'(a) = -2(3a^2-10a+3)\)을 통해 \(f'(a)=0\)을 만족하는 \(a\)의 값을 구할 수 있다. 극값 \(f\left(\frac{1}{3}\right) = \frac{136}{27}\)을 구할 수 있다. | 5점 5점 |
| 1-3 | 최댓값 \(f(1) = 8\)을 구할 수 있다. 최솟값 \(f\left(\frac{1}{3}\right) = \frac{136}{27}\)을 구할 수 있다. | 3점 2점 |
[감점 포인트 1] 점 \(\mathrm{P, Q}\)의 대칭성에 의해 \(\overline{\mathrm{AP}} = \overline{\mathrm{BP}} = \sqrt{1+a^2}\), \(\overline{\mathrm{CQ}} = \overline{\mathrm{DQ}} = \sqrt{1+a^2}\)이고 연결 비용이 각각 \(2(1+a^2)\)임을 정확히 기술해야 합니다.
[감점 포인트 2] \(\overline{\mathrm{PQ}} = 2-2a\)이므로 총 비용 함수 \(f(a) = 4(1+a^2) + 2(1-a)^3 = 2(-a^3+5a^2-3a+3)\)을 전개할 때 부호 실수를 피하고, \(f'(a) = -2(3a-1)(a-3) = 0\)의 극값 \(a=1/3\)과 경계값 \(f(0)=6, f(1)=8\)을 증감표로 대조해야 합니다.
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
\(\overline{\mathrm{MP}} = a\)라 하면 직각삼각형 \(\mathrm{AMP}\)에서 \(\overline{\mathrm{AM}} = 1\)이므로
\[\overline{\mathrm{AP}} = \overline{\mathrm{BP}} = \sqrt{1+a^2}\]두 점 \(\mathrm{A, B}\)와 점 \(\mathrm{P}\)의 연결 비용은 \(2\sqrt{1+a^2} \times \sqrt{1+a^2} = 2(1+a^2)\)이다.
대칭성에 의해 \(\overline{\mathrm{CQ}} = \overline{\mathrm{DQ}} = \sqrt{1+a^2}\)이며 연결 비용은 \(2(1+a^2)\)이다.
선분 \(\mathrm{PQ}\)의 길이는 \(\overline{\mathrm{PQ}} = 2 - 2a\)이므로 점 \(\mathrm{P, Q}\)의 연결 비용은 \((2-2a) \times (1-a)^2 = 2(1-a)^3\)이다.
\(a = \frac{1}{2}\)일 때 각각의 비용을 계산하면
\[2\left(1 + \frac{1}{4}\right) = \frac{5}{2}, \quad 2\left(1 + \frac{1}{4}\right) = \frac{5}{2}, \quad 2\left(1 - \frac{1}{2}\right)^3 = \frac{1}{4}\]따라서 총 연결 비용은 \(\frac{5}{2} + \frac{5}{2} + \frac{1}{4} = \frac{21}{4}\)이다.
[소문항 (2), (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (2) 풀이]
총 연결 비용 함수 \(f(a)\)는 다음과 같다.
\[f(a) = 2(1+a^2) + 2(1+a^2) + (2-2a)(1-a)^2\] \[= 4(1+a^2) + 2(-a^3+3a^2-3a+1) = 2(-a^3+5a^2-3a+3)\]\(f(a)\)를 미분하면
\[f'(a) = 2(-3a^2+10a-3) = -2(3a^2-10a+3) = -2(3a-1)(a-3)\]\(0 \le a \le 1\)에서 \(f'(a) = 0\)을 만족하는 \(a\)의 값은 \(a = \frac{1}{3}\)이다.
\(a = \frac{1}{3}\)의 좌우에서 \(f'(a)\)의 부호가 음에서 양으로 바뀌므로 \(a = \frac{1}{3}\)에서 극솟값을 갖는다.
\[f\left(\frac{1}{3}\right) = 2\left(-\frac{1}{27} + \frac{5}{9} - 1 + 3\right) = 2\left(\frac{-1 + 15 + 54}{27}\right) = 2 \times \frac{68}{27} = \frac{136}{27}\][소문항 (3) 풀이]
구간 \([0, 1]\)의 양 끝점에서의 함숫값을 구하면
\[f(0) = 2(3) = 6, \quad f(1) = 2(-1+5-3+3) = 8\]극솟값 \(f\left(\frac{1}{3}\right) = \frac{136}{27} \approx 5.037\)과 비교하면
\[\text{최댓값: } f(1) = 8, \quad \text{최솟값: } f\left(\frac{1}{3}\right) = \frac{136}{27}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 2-1 | \(a = -1, b = 0, c = 1\)을 모두 구할 수 있다. | 5점 |
| 2-2 | 역함수 \(y = -(x-1)^2\)을 구할 수 있다. 정의역 \(\{x \mid x \ge 1\}\)을 구할 수 있다. | 3점 2점 |
| 2-3 | \(\alpha = 1, \beta = 3\)을 구할 수 있다. \(S = \displaystyle\int_1^3 |f^{-1}(x)|\,dx = \frac{8}{3}\)을 구할 수 있다. | 5점 5점 |
[감점 포인트 1] 무리함수의 시작점이 \((0, 1)\)이므로 \(b=0, c=1\)을 먼저 확정하고 점 \((-4, 3)\)을 대입하여 \(a=-1\)을 명시해야 합니다.
[감점 포인트 2] 역함수 \(y = -(x-1)^2\)를 구할 때 정의역 \(\{x \mid x \ge 1\}\)을 반드시 명시해야 하며, 문제 조건에 따라 반드시 역함수의 정적분 \(\int_1^3 |-(x-1)^2|\,dx = 8/3\)으로 풀이해야 점수가 부여됩니다.
[소문항 (1), (2) 해설 및 모범 답안]
[소문항 (1) 풀이]
무리함수 \(f(x) = \sqrt{ax+b} + c\)의 정의역이 \(\{x \le 0\}\)이고 치역이 \(\{y \ge 1\}\)이므로 그래프의 시작점은 \((0, 1)\)이다.
따라서 \(b = 0, c = 1\)이고 \(f(x) = \sqrt{ax} + 1\)이다.
이 함수가 점 \((-4, 3)\)을 지나므로 대입하면
\[\sqrt{-4a} + 1 = 3 \implies \sqrt{-4a} = 2 \implies -4a = 4 \implies a = -1\]따라서 \(a = -1, b = 0, c = 1\)이다.
[소문항 (2) 풀이]
\(f(x) = \sqrt{-x} + 1\)에서 역함수를 구하기 위해 \(x\)와 \(y\)를 바꾸면
\[x = \sqrt{-y} + 1 \implies \sqrt{-y} = x - 1 \quad (x \ge 1)\] \[-y = (x-1)^2 \implies y = -(x-1)^2\]원래 함수의 치역이 \(\{y \ge 1\}\)이므로 역함수 \(y = f^{-1}(x)\)의 정의역은 \(\{x \mid x \ge 1\}\)이다.
[소문항 (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (3) 풀이]
무리함수 \(y = f(x)\)와 \(y\)축 및 직선 \(y = 3\)으로 둘러싸인 도형의 \(y\)의 범위는 \(1 \le y \le 3\)이다.
역함수 관계에 의해 이 도형은 역함수 \(y = f^{-1}(x)\)와 \(x\)축 및 두 직선 \(x = 1, x = 3\)으로 둘러싸인 도형과 합동이다.
따라서 \(\alpha = 1, \beta = 3\)이다.
정적분을 이용하여 넓이 \(S\)를 구하면 다음과 같다.
\[S = \int_1^3 |f^{-1}(x)|\,dx = \int_1^3 |-(x-1)^2|\,dx = \int_1^3 (x-1)^2\,dx\] \[= \left[\frac{1}{3}(x-1)^3\right]_1^3 = \frac{1}{3}(3-1)^3 - \frac{1}{3}(1-1)^3 = \frac{1}{3}(8) - 0 = \frac{8}{3}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 3-1 | \(\mathrm{A}\)팀이 남은 \(3\)경기 중 \(2\)경기를 승리할 확률 \(\frac{3}{8}\)을 구할 수 있다. | 5점 |
| 3-2 | \(\mathrm{A}\)팀이 남은 \(3\)경기 중 \(1\)경기를 승리해서 우승할 확률 \(\frac{9}{32}\)를 구할 수 있다. | 5점 |
| 3-3 | \(\mathrm{A}\)팀이 남은 \(3\)경기 중 \(3\)경기를 모두 승리할 확률 \(\frac{1}{8}\)을 구할 수 있다. 세 경우의 합인 최종 우승 확률 \(\frac{1}{8} + \frac{3}{8} + \frac{9}{32} = \frac{25}{32}\)를 구할 수 있다. | 5점 5점 |
[감점 포인트 1] \(\mathrm{A}\)팀이 \(2\)경기를 이기면 최소 \(55\)승이 되어 \(\mathrm{B, C}\)의 최대 승수(\(55\)승)와 동률 이상으로 무조건 우승한다는 독립성을 명시해야 합니다.
[감점 포인트 2] \(\mathrm{A}\)팀이 \(1\)경기만 이길 때는 \(54\)승이 되므로, \(\mathrm{B}\)와 \(\mathrm{C}\) 중 어느 한 팀이 남은 \(3\)경기를 전승(각각 \(55\)승)하는 경우를 여사건으로 제외하여 \(P = \frac{3}{8} \times (1 - \frac{2}{8}) = \frac{9}{32}\)를 논리적으로 유도해야 합니다.
[소문항 (1), (2) 해설 및 모범 답안]
[소문항 (1) 풀이]
\(\mathrm{A}\)팀이 남은 \(3\)경기 중 \(2\)경기를 승리하면 \(53 + 2 = 55\)승이 된다.
\(\mathrm{B}\)팀과 \(\mathrm{C}\)팀은 서로 맞붙으므로 두 팀이 얻을 수 있는 승수의 합은 \(3\)승이며, 어느 한 팀도 \(52 + 3 = 55\)승을 초과할 수 없다. 따라서 \(\mathrm{A}\)팀은 무조건 단독 우승 또는 공동 우승을 차지한다.
\[P(\text{2경기 승리}) = {}_3\mathrm{C}_2 \left(\frac{1}{2}\right)^2 \left(\frac{1}{2}\right)^1 = 3 \times \frac{1}{8} = \frac{3}{8}\][소문항 (2) 풀이]
\(\mathrm{A}\)팀이 남은 \(3\)경기 중 \(1\)경기만 승리하면 \(53 + 1 = 54\)승이 된다.
이때 \(\mathrm{B}\)팀이나 \(\mathrm{C}\)팀 중 어느 한 팀이라도 \(3\)경기를 전승하면 \(55\)승이 되어 \(\mathrm{A}\)팀이 우승하지 못한다. 반대로 어느 팀도 전승하지 못하면 두 팀의 최대 승수는 \(52 + 2 = 54\)승이 되므로 \(\mathrm{A}\)팀이 공동 우승 이상을 달성한다.
\(\mathrm{B}\)팀 또는 \(\mathrm{C}\)팀이 전승할 확률은 \(\left(\frac{1}{2}\right)^3 + \left(\frac{1}{2}\right)^3 = \frac{2}{8}\)이다.
따라서 \(\mathrm{A}\)팀이 \(1\)경기 승리하고 우승할 확률은
\[{}_3\mathrm{C}_1 \left(\frac{1}{2}\right)^1 \left(\frac{1}{2}\right)^2 \times \left(1 - \frac{2}{8}\right) = \frac{3}{8} \times \frac{6}{8} = \frac{3}{8} \times \frac{3}{4} = \frac{9}{32}\][소문항 (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (3) 풀이]
\(\mathrm{A}\)팀이 최종 우승하는 경우는 상호 배반인 다음의 세 가지 경우이다.
(ⅰ) \(3\)경기를 모두 승리하는 경우:
\(53 + 3 = 56\)승이 되며 다른 팀의 결과와 무관하게 단독 우승한다.
\[P_1 = {}_3\mathrm{C}_3 \left(\frac{1}{2}\right)^3 = \frac{1}{8}\](ⅱ) \(2\)경기를 승리하는 경우:
소문항 (1)에 의해 \(P_2 = \frac{3}{8}\)이다.
(ⅲ) \(1\)경기를 승리하고 우승하는 경우:
소문항 (2)에 의해 \(P_3 = \frac{9}{32}\)이다.
(참고: \(0\)승인 경우 \(53\)승이 되며, \(\mathrm{B}\)와 \(\mathrm{C}\)의 승자(최소 2승)가 최소 \(54\)승이 되므로 우승할 수 없다.)
따라서 \(\mathrm{A}\)팀이 최종 우승할 확률은 확률의 덧셈정리에 의해
\[P = P_1 + P_2 + P_3 = \frac{1}{8} + \frac{3}{8} + \frac{9}{32} = \frac{4}{32} + \frac{12}{32} + \frac{9}{32} = \frac{25}{32}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 4-1 | \(f(1) = 2\)를 구할 수 있다. | 5점 |
| 4-2 | \(f'(a) = 8a^3 - 4a\)를 통해 \(f'(a)=0\)을 만족하는 \(a\)의 값을 구할 수 있다. 극값 \(2, \frac{3}{2}\)을 모두 구할 수 있다. | 5점 5점 |
| 4-3 | 최댓값 \(26\)을 구할 수 있다. 최솟값 \(\frac{3}{2}\)을 구할 수 있다. | 3점 2점 |
[감점 포인트 1] 직선과 수직선의 교점 \(\mathrm{Q}_1(-1, -a^2+a)\), \(\mathrm{Q}_2(1, a^2+a)\)를 정확히 구하고, 두 거리 제곱의 합을 \(f(a) = 2a^4 - 2a^2 + 2\)로 축약 전개해야 합니다.
[감점 포인트 2] \(f'(a) = 4a(2a^2-1) = 0\)의 세 극값점 \(a = 0, \pm \frac{1}{\sqrt{2}}\)과 경계점 \(a = \pm 2\)에서의 함숫값을 모두 계산하여 최댓값 \(26\), 최솟값 \(\frac{3}{2}\)을 도출해야 감점이 없습니다.
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
두 점 \(\mathrm{P}_1(-1, -1), \mathrm{P}_2(1, 1)\)에 대하여 직선 \(y = a^2x + a\) 위의 교점 \(\mathrm{Q}_1, \mathrm{Q}_2\)의 좌표는
\[\mathrm{Q}_1(-1, -a^2+a), \quad \mathrm{Q}_2(1, a^2+a)\]선분의 길이는 \(y\)좌표의 차이이므로
\[\overline{\mathrm{P}_1\mathrm{Q}_1} = |(-a^2+a) - (-1)| = |a^2-a-1|\] \[\overline{\mathrm{P}_2\mathrm{Q}_2} = |(a^2+a) - 1| = |a^2+a-1|\]함수 \(f(a)\)는 거리의 제곱의 합이므로
\[f(a) = (a^2-a-1)^2 + (a^2+a-1)^2 = 2a^4 - 2a^2 + 2\]따라서 \(a = 1\)일 때 함숫값은 \(f(1) = 2(1)^4 - 2(1)^2 + 2 = 2\)이다.
[소문항 (2), (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (2) 풀이]
함수 \(f(a) = 2a^4 - 2a^2 + 2\)를 미분하면
\[f'(a) = 8a^3 - 4a = 4a(2a^2 - 1) = 0 \implies a = 0 \text{ 또는 } a = \pm\frac{1}{\sqrt{2}}\]\(-2 \le a \le 2\)에서 극값을 계산하면
\[f\left(\pm\frac{1}{\sqrt{2}}\right) = 2\left(\frac{1}{4}\right) - 2\left(\frac{1}{2}\right) + 2 = \frac{1}{2} - 1 + 2 = \frac{3}{2}\] \[f(0) = 2\]따라서 극값은 \(2\)와 \(\frac{3}{2}\)이다.
[소문항 (3) 풀이]
정의역 \([-2, 2]\)의 양 끝점에서의 함숫값을 계산하면
\[f(-2) = f(2) = 2(16) - 2(4) + 2 = 32 - 8 + 2 = 26\]극값 \(2, \frac{3}{2}\)과 경계값 \(26\)을 비교하면
\[\text{최댓값: } f(-2) = f(2) = 26, \quad \text{최솟값: } f\left(\pm\frac{1}{\sqrt{2}}\right) = \frac{3}{2}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 5-1 | 직선 \(l\)의 방정식 \(y = -x + 2\)를 구할 수 있다. | 5점 |
| 5-2 | 상수 \(a\)의 값 \(\frac{7}{4}\)을 구할 수 있다. | 5점 |
| 5-3 | 도형의 넓이를 \(\displaystyle\int_0^{1/2} \left(-x+2 + x^2 - \frac{7}{4}\right)\,dx\)로 나타낼 수 있다. 적분값 \(\frac{1}{24}\)을 구할 수 있다. | 5점 5점 |
[감점 포인트 1] 곡선 \(y = \frac{1}{4}x^2 - 1\) 위의 점 \(\mathrm{A}(2, 0)\)에서의 접선의 기울기가 \(f'(2) = 1\)이므로 수직인 법선의 기울기가 \(-1\)임을 명확히 서술해야 합니다.
[감점 포인트 2] 직선 \(l: y = -x+2\)와 포물선 \(y = -x^2+a\)의 접점 \(x = 1/2\)을 미분계수 \(g'(x) = -2x = -1\) 또는 판별식 \(D=0\)으로 정확히 도출하여 \(a = 7/4\)를 구하고, 둘러싸인 넓이 적분 시 상하 관계를 바르게 설정해야 합니다.
[소문항 (1), (2) 해설 및 모범 답안]
[소문항 (1) 풀이]
\(f(x) = \frac{1}{4}x^2 - 1\)이라 하면 \(f'(x) = \frac{1}{2}x\)이다.
점 \(\mathrm{A}(2, 0)\)에서의 접선의 기울기는 \(f'(2) = 1\)이다.
직선 \(l\)은 이 접선에 수직이므로 기울기는 \(-1\)이다. 점 \(\mathrm{A}(2, 0)\)을 지나므로
\[y - 0 = -1(x - 2) \implies y = -x + 2\][소문항 (2) 풀이]
곡선 \(y = -x^2+a\)와 직선 \(y = -x+2\)가 접하므로, 두 식을 연립한 이차방정식
\[-x^2 + a = -x + 2 \implies x^2 - x + (2-a) = 0\]이 중근을 가져야 하므로 판별식 \(D = 0\)이다.
\[D = (-1)^2 - 4(1)(2-a) = 1 - 8 + 4a = 4a - 7 = 0 \implies a = \frac{7}{4}\](또는 도함수 \(g'(x) = -2x = -1 \implies x = \frac{1}{2}\)에서 접점의 \(y\)좌표가 일치함을 이용하여 \(a = \frac{7}{4}\) 도출 가능)
[소문항 (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (3) 풀이]
접점의 \(x\)좌표는 \(x = \frac{1}{2}\)이다. 구간 \(\left[0, \frac{1}{2}\right]\)에서 직선 \(y = -x+2\)가 곡선 \(y = -x^2 + \frac{7}{4}\)보다 위쪽에 위치한다.
따라서 곡선과 \(y\)축 및 직선 \(l\)로 둘러싸인 도형의 넓이는
\[S = \int_0^{1/2} \left\{(-x+2) - \left(-x^2 + \frac{7}{4}\right)\right\}\,dx = \int_0^{1/2} \left(x^2 - x + \frac{1}{4}\right)\,dx\] \[= \left[\frac{1}{3}x^3 - \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{4}x\right]_0^{1/2} = \frac{1}{3}\left(\frac{1}{8}\right) - \frac{1}{2}\left(\frac{1}{4}\right) + \frac{1}{4}\left(\frac{1}{2}\right)\] \[= \frac{1}{24} - \frac{1}{8} + \frac{1}{8} = \frac{1}{24}\]| 하위문항 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 6-1 | 확률변수 \(X\)에 대한 확률분포표를 옳게 만들 수 있다. | 7점 |
| 6-2 | 되돌려 받을 구슬 개수의 기댓값 \(\frac{25}{27}a\)를 구할 수 있다. | 7점 |
| 6-3 | 기댓값이 \(500\)개가 되기 위한 구슬의 개수 \(540\)개를 구할 수 있다. | 6점 |
[감점 포인트 1] 주사위 \(3\)개를 던질 때 일치하는 눈의 개수 \(X\)가 독립시행의 확률을 따름을 밝히고, 확률분포표의 각 확률을 빠짐없이 정확한 기약분수로 기재해야 합니다.
[감점 포인트 2] 되돌려 받는 구슬 개수 \(Y\)의 값에 대응하는 상금 배수(\(2a, 3a, 5a\))를 적용하여 기댓값 \(E(Y) = \frac{25}{27}a\)를 도출하고, \(E(Y)=500\)에서 \(a = 540\)개를 산출하는 단계를 명확히 적어야 합니다.
[소문항 (1) 해설 및 모범 답안]
주사위 \(1\)개를 던져서 선택된 숫자의 눈이 나올 확률은 \(p = \frac{1}{6}\)이고, 나오지 않을 확률은 \(q = \frac{5}{6}\)이다.
주사위 \(3\)개를 던질 때 일치하는 주사위의 개수 \(X\)는 이항분포 \(B\left(3, \frac{1}{6}\right)\)을 따른다.
\[P(X=0) = {}_3\mathrm{C}_0 \left(\frac{1}{6}\right)^0 \left(\frac{5}{6}\right)^3 = \frac{125}{216}\] \[P(X=1) = {}_3\mathrm{C}_1 \left(\frac{1}{6}\right)^1 \left(\frac{5}{6}\right)^2 = 3 \times \frac{25}{216} = \frac{75}{216} = \frac{25}{72}\] \[P(X=2) = {}_3\mathrm{C}_2 \left(\frac{1}{6}\right)^2 \left(\frac{5}{6}\right)^1 = 3 \times \frac{5}{216} = \frac{15}{216} = \frac{5}{72}\] \[P(X=3) = {}_3\mathrm{C}_3 \left(\frac{1}{6}\right)^3 \left(\frac{5}{6}\right)^0 = \frac{1}{216}\]이를 확률분포표로 나타내면 다음과 같다.
| \(X\) | 0 | 1 | 2 | 3 | 합계 |
| \(P(X=x)\) | \(\frac{125}{216}\) | \(\frac{25}{72}\) | \(\frac{5}{72}\) | \(\frac{1}{216}\) | 1 |
[소문항 (2), (3) 심층 전개 및 종합 판정]
[소문항 (2) 풀이]
구슬 \(a\)개를 내고 되돌려 받는 구슬의 개수를 확률변수 \(Y\)라 하면, \(X\)의 값에 따른 \(Y\)의 값은 \(X=0 \to 0\), \(X=1 \to 2a\), \(X=2 \to 3a\), \(X=3 \to 5a\)이다.
이산확률변수 \(Y\)의 기댓값 \(E(Y)\)는 다음과 같다.
\[E(Y) = 0 \times \frac{125}{216} + 2a \times \frac{75}{216} + 3a \times \frac{15}{216} + 5a \times \frac{1}{216}\] \[= \frac{150a + 45a + 5a}{216} = \frac{200a}{216} = \frac{25}{27}a\][소문항 (3) 풀이]
되돌려 받는 구슬 개수의 기댓값이 \(500\)개가 되기 위해서는 \(E(Y) = 500\)이어야 한다.
\[\frac{25}{27}a = 500 \implies a = 500 \times \frac{27}{25} = 20 \times 27 = 540\text{ (개)}\]따라서 게임 참여자가 내야 하는 구슬의 개수는 \(540\)개이다.