미적분Ⅰ미분계수와 도함수수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

극한과 미분 조건의 다항함수

문제

상수 aa와 최고차항의 계수가 11인 이차함수 f(x)f \left( x \right)에 대하여 함수 g(x)g \left( x \right)g(x)=(x2x+a)f(x)g \left( x \right) = \left( x ^{2} - x + a \right) f \left( x \right)라 할 때, 두 함수 f(x)f \left( x \right), g(x)g \left( x \right)는 다음 조건을 만족시킨다.

(가) limx1g(x)f(x)x1=0\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\frac{g \left( x \right) - f \left( x \right)}{x - 1}} = 0 (나) g(1)0g' \left( 1 \right) \ne 0 (다) f(α)=f(α)f \left( \alpha \right) = f' \left( \alpha \right)이고 g(α)=2f(α)g' \left( \alpha \right) = 2 f' \left( \alpha \right)인 실수 α\alpha가 존재한다.

g(α+4)=qp\displaystyle g \left( \alpha + 4 \right) = \frac{q}{p}일 때, p+qp + q의 값을 구하시오. (단, ppqq는 서로소인 자연수이다.) [4점]

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61

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해설

[출제의도] 도함수를 이용하여 추론하기 f(x)=x2+bx+cf \left( x \right) = x ^{2} + bx + c (bb, cc는 상수)라 하자. 조건 (가)에서 limx1g(x)f(x)x1\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\frac{g \left( x \right) - f \left( x \right)}{x - 1}}=limx1(x2x+a)f(x)f(x)x1\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\frac{\left( x ^{2} - x + a \right) f \left( x \right) - f \left( x \right)}{x - 1}} =limx1(x2x+a1)f(x)x1=0\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\frac{\left( x ^{2} - x + a - 1 \right) f \left( x \right)}{x - 1}} = 0 limx1(x1)=0\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\left( x - 1 \right)} = 0이므로 limx1(x2x+a1)f(x)=(a1)f(1)=0\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\left( x ^{2} - x + a - 1 \right) f \left( x \right)} = \left( a - 1 \right) f \left( 1 \right) = 0 따라서 a=1a = 1 또는 f(1)=0f \left( 1 \right) = 0 a1a \ne 1이라 하면 f(1)=0f \left( 1 \right) = 0이어야 하므로 c=b1c = \mathit{-} b - 1, f(x)=(x1)(x+b+1)f \left( x \right) = \left( x - 1 \right) \left( x + b + 1 \right) limx1g(x)f(x)x1\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\frac{g \left( x \right) - f \left( x \right)}{x - 1}} =limx1(x2x+a1)(x1)(x+b+1)x1\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\frac{\left( x ^{2} - x + a - 1 \right) \left( x - 1 \right) \left( x + b + 1 \right)}{x - 1}} =(a1)(b+2)=0= \left( a - 1 \right) \left( b + 2 \right) = 0 이므로 b=2b = \mathit{-} 2, f(x)=(x1)2f \left( x \right) = \left( x - 1 \right) ^{2} g(x)=(2x1)(x1)2+(x2x+a)(2x2)g' \left( x \right) = \left( 2 x - 1 \right) \left( x - 1 \right) ^{2} + \left( x ^{2} - x + a \right) \left( 2 x - 2 \right)에서 g(1)=0g' \left( 1 \right) = 0이므로 조건 (나)를 만족시키지 않는다. f(1)0f \left( 1 \right) \ne 0이라 하면 a=1a = 1이고 limx1g(x)f(x)x1\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\frac{g \left( x \right) - f \left( x \right)}{x - 1}}=limx1x(x1)f(x)x1\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 1} {\frac{x \left( x - 1 \right) f \left( x \right)}{x - 1}}=f(1)= f \left( 1 \right)=0= 0 이므로 모순이다. 따라서 a=1a = 1이고 f(1)=0f \left( 1 \right) = 0이며 b2b \ne \mathit{-} 2 f(x)=(x1)(x+b+1)f \left( x \right) = \left( x - 1 \right) \left( x + b + 1 \right)에서 f(x)=2x+bf' \left( x \right) = 2 x + b g(x)=(x2x+1)f(x)g \left( x \right) = \left( x ^{2} - x + 1 \right) f \left( x \right)에서 g(x)=(2x1)f(x)+(x2x+1)f(x)g' \left( x \right) = \left( 2 x - 1 \right) f \left( x \right) + \left( x ^{2} - x + 1 \right) f' \left( x \right) 조건 (다)에서 f(α)=f(α)f \left( \alpha \right) = f' \left( \alpha \right)이므로 (α1)(α+b+1)=2α+b\left( \alpha - 1 \right) \left( \alpha + b + 1 \right) = 2 \alpha + b \cdotsg(α)=(2α1)f(α)+(α2α+1)f(α)=2f(α)g' \left( \alpha \right) = \left( 2 \alpha - 1 \right) f \left( \alpha \right) + \left( \alpha ^{2} - \alpha + 1 \right) f' \left( \alpha \right) = 2 f' \left( \alpha \right) (2α1)f(α)+(α2α+1)f(α)=2f(α)\left( 2 \alpha - 1 \right) f' \left( \alpha \right) + \left( \alpha ^{2} - \alpha + 1 \right) f' \left( \alpha \right) = 2 f' \left( \alpha \right) (α2+α2)f(α)=0\left( \alpha ^{2} + \alpha - 2 \right) f' \left( \alpha \right) = 0 (α+2)(α1)(2α+b)=0\left( \alpha + 2 \right) \left( \alpha - 1 \right) \left( 2 \alpha + b \right) = 0 따라서 α=2\alpha = \mathit{-} 2 또는 α=1\alpha = 1 또는 α=b2\displaystyle \alpha = \mathit{-} \frac{b}{2} α=1\alpha = 1 또는 α=b2\displaystyle \alpha = \mathit{-} \frac{b}{2}일 때 ㉠에서 b=2b = \mathit{-} 2이므로 b2b \ne \mathit{-} 2인 것에 모순이다. α=2\alpha = \mathit{-} 2이므로 ㉠에서 b=74\displaystyle b = \frac{7}{4} g(x)=(x2x+1)(x1)(x+114)\displaystyle g \left( x \right) = \left( x ^{2} - x + 1 \right) \left( x - 1 \right) \left( x + \frac{11}{4} \right) g(α+4)=g(2)=3×1×194=574\displaystyle g \left( \alpha + 4 \right) = g \left( 2 \right) = 3 \times 1 \times \frac{19}{4} = \frac{57}{4} 따라서 p=4p = 4, q=57q = 57이므로 p+q=61p + q = 61

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