미적분Ⅰ미분계수와 도함수수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

극한 조건 사차함수

문제

최고차항의 계수가 11인 사차함수 f(x)f \left( x \right)가 다음 조건을 만족시킨다.

limxk2x2f(x)(f(k))2xk=limxk(f(x))2(f(k))2xk\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow k} \frac{2 x ^{2} f \left( x \right) - \left( f \left( k \right) \right) ^{2}}{x - k} = \lim\limits _{x \rightarrow k} \frac{\left( f \left( x \right) \right) ^{2} - \left( f \left( k \right) \right) ^{2}}{x - k} 을 만족시키는 실수 kktt, t(t>1)- t \left( t > 1 \right)뿐이다.

함수 f(x)f \left( x \right)의 최솟값이 1717일 때, f(4)f \left( 4 \right)의 값을 구하시오. [4점]

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81

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해설

limxk(f(x))2(f(k))2xk\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow k} \frac{\left( f \left( x \right) \right) ^{2} - \left( f \left( k \right) \right) ^{2}}{x - k} =limxk{(f(x)+f(k))×f(x)f(k)xk}\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow k} \left\{ \left( f \left( x \right) + f \left( k \right) \right) \times \frac{f \left( x \right) - f \left( k \right)}{x - k} \right\}=2f(k)f(k)= 2 f \left( k \right) f' \left( k \right) 이므로 limxk2x2f(x)(f(k))2xk\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow k} \frac{2 x ^{2} f \left( x \right) - \left( f \left( k \right) \right) ^{2}}{x - k}의 값이 존재한다. limxk(xk)=0\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow k} \left( x - k \right) = 0이므로 limxk{2x2f(x)(f(k))2}=0\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow k} \left\{ 2 x ^{2} f \left( x \right) - \left( f \left( k \right) \right) ^{2} \right\} = 0 2k2f(k)(f(k))2=02 k ^{2} f \left( k \right) - \left( f \left( k \right) \right) ^{2} = 0, f(k)(2k2f(k))=0f \left( k \right) \left( 2 k ^{2} - f \left( k \right) \right) = 0 이므로 f(k)=0f \left( k \right) = 0 또는 f(k)=2k2f \left( k \right) = 2 k ^{2} 함수 f(x)f \left( x \right)의 최솟값이 1717이므로 f(k)=2k2f \left( k \right) = 2 k ^{2} limxk(f(x))2(f(k))2xk=4k2f(k)\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow k} \frac{\left( f \left( x \right) \right) ^{2} - \left( f \left( k \right) \right) ^{2}}{x - k} = 4 k ^{2} f' \left( k \right) limxk2x2f(x)(f(k))2xk\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow k} \frac{2 x ^{2} f \left( x \right) - \left( f \left( k \right) \right) ^{2}}{x - k} =limxk2x2f(x)2k2f(k)xk\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow k} \frac{2 x ^{2} f \left( x \right) - 2 k ^{2} f \left( k \right)}{x - k} =limxk(2x2×f(x)f(k)xk+f(k)×2x22k2xk)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow k} \left( 2 x ^{2} \times \frac{f \left( x \right) - f \left( k \right)}{x - k} + f \left( k \right) \times \frac{2 x ^{2} - 2 k ^{2}}{x - k} \right) =2k2f(k)+4kf(k)= 2 k ^{2} f' \left( k \right) + 4 kf \left( k \right) =2k2f(k)+8k3= 2 k ^{2} f' \left( k \right) + 8 k ^{3} 2k2f(k)+8k3=4k2f(k)2 k ^{2} f' \left( k \right) + 8 k ^{3} = 4 k ^{2} f' \left( k \right) 2k2(f(k)4k)=02 k ^{2} \left( f' \left( k \right) - 4 k \right) = 0 k0k \neq 0이므로 f(k)=4kf' \left( k \right) = 4 k k=tk = t일 때, f(t)=2t2f \left( t \right) = 2 t ^{2}, f(t)=4tf' \left( t \right) = 4 t k=tk = - t일 때, f(t)=2t2f \left( - t \right) = 2 t ^{2}, f(t)=4tf' \left( - t \right) = - 4 t f(t)=2t2f \left( t \right) = 2 t ^{2}, f(t)=2t2f \left( - t \right) = 2 t ^{2}이므로 두 실수 aa, bb에 대하여 f(x)2t2f \left( x \right) - 2 t ^{2}=(xt)(x+t)(x2+ax+b)= \left( x - t \right) \left( x + t \right) \left( x ^{2} + ax + b \right) =(x2t2)(x2+ax+b)= \left( x ^{2} - t ^{2} \right) \left( x ^{2} + ax + b \right) f(x)=2x(x2+ax+b)+(x2t2)(2x+a)f' \left( x \right) = 2 x \left( x ^{2} + ax + b \right) + \left( x ^{2} - t ^{2} \right) \left( 2 x + a \right) f(t)=4tf' \left( t \right) = 4 t, f(t)=4tf' \left( - t \right) = - 4 t이므로 f(t)=2t(t2+at+b)=4tf' \left( t \right) = 2 t \left( t ^{2} + at + b \right) = 4 t f(t)=2t(t2at+b)=4tf' \left( - t \right) = - 2 t \left( t ^{2} - at + b \right) = - 4 t t>1t > 1이므로 t2+at+b=2t ^{2} + at + b = 2, t2at+b=2t ^{2} - at + b = 2 에서 a=0a = 0, b=t2+2b = - t ^{2} + 2 그러므로 f(x)f \left( x \right)=(x2t2)(x2t2+2)+2t2= \left( x ^{2} - t ^{2} \right) \left( x ^{2} - t ^{2} + 2 \right) + 2 t ^{2} =(x2t2+1)2+2t21= \left( x ^{2} - t ^{2} + 1 \right) ^{2} + 2 t ^{2} - 1 함수 f(x)f \left( x \right)의 최솟값은 2t212 t ^{2} - 1이다. 2t21=172 t ^{2} - 1 = 17, t=3t = 3 따라서 f(x)=(x28)2+17f \left( x \right) = \left( x ^{2} - 8 \right) ^{2} + 17이므로 f(4)=81f \left( 4 \right) = 81

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