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

곱함수의 미분가능성

문제

두 자연수 aa, bb에 대하여 두 함수 f(x)f \left( x \right), g(x)g \left( x \right)f(x)={x+5(x<5)2xa(x5)\displaystyle f \left( x \right) = {\begin{cases} x + 5 & \left( x < 5 \right) \\ \left| 2 x - a \right| & \left( x \geq 5 \right) \end{cases}} g(x)=(x5)(xb)g \left( x \right) = \left( x - 5 \right) \left( x - b \right) 라 하자. 함수 f(x)g(x)f \left( x \right) g \left( x \right)가 실수 전체의 집합에서 미분가능하도록 하는 aa, bb의 모든 순서쌍 (a,b)\left( a , b \right)의 개수를 구하시오. [4점]

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해설

[출제의도] 함수의 미분가능성을 활용하여 문제해결하기 함수 g(x)g \left( x \right)는 실수 전체의 집합에서 미분가능하다. (ⅰ) a10a \leq 10일 때 f(x)={x+5(x<5)2xa(x5)\displaystyle f \left( x \right) = {\begin{cases} x + 5 & \left( x < 5 \right) \\ 2 x - a & \left( x \geq 5 \right) \end{cases}}이므로 함수 f(x)g(x)f \left( x \right) g \left( x \right)가 실수 전체의 집합에서 미분가능하기 위해서는 x=5x = 5에서 미분가능하여야 한다. limx5f(x)g(x)f(5)g(5)x5\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 5 -} {} \frac{f \left( x \right) g \left( x \right) - f \left( 5 \right) g \left( 5 \right)}{x - 5} =limx5(x+5)(x5)(xb)x5\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 5 -} {} \frac{\left( x + 5 \right) \left( x - 5 \right) \left( x - b \right)}{x - 5} =limx5(x+5)(xb)=10(5b)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 5 -} {} \left( x + 5 \right) \left( x - b \right) = 10 \left( 5 - b \right) limx5+f(x)g(x)f(5)g(5)x5\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 5 +} {} \frac{f \left( x \right) g \left( x \right) - f \left( 5 \right) g \left( 5 \right)}{x - 5} =limx5+(2xa)(x5)(xb)x5\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 5 +} {} \frac{\left( 2 x - a \right) \left( x - 5 \right) \left( x - b \right)}{x - 5} =limx5+(2xa)(xb)=(10a)(5b)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 5 +} {} \left( 2 x - a \right) \left( x - b \right) = \left( 10 - a \right) \left( 5 - b \right) 에서 10(5b)=(10a)(5b)10 \left( 5 - b \right) = \left( 10 - a \right) \left( 5 - b \right), a(5b)=0a \left( 5 - b \right) = 0 aa는 자연수이므로 b=5b = 5 그러므로 순서쌍 (a,b)\left( a , b \right)(1,5)\left( 1 , 5 \right), (2,5)\left( 2 , 5 \right), \cdots, (10,5)\left( 10 , 5 \right) (ⅱ) a11a \geq 11일 때 f(x)={x+5(x<5)2x+a(5x<a2)2xa(xa2)\displaystyle f \left( x \right) = {\begin{cases} x + 5 & \left( x < 5 \right) \\ - 2 x + a & \left( 5 \leq x < \frac{a}{2} \right) \\ 2 x - a & \left( x \geq \frac{a}{2} \right) \end{cases}} 이므로 함수 f(x)g(x)f \left( x \right) g \left( x \right)가 실수 전체의 집합에서 미분가능하기 위해서는 x=5x = 5x=a2\displaystyle x = \frac{a}{2}에서 미분가능하여야 한다. limx5f(x)g(x)f(5)g(5)x5=10(5b)\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 5 -} {} \frac{f \left( x \right) g \left( x \right) - f \left( 5 \right) g \left( 5 \right)}{x - 5} = 10 \left( 5 - b \right) limx5+f(x)g(x)f(5)g(5)x5\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow 5 +} {} \frac{f \left( x \right) g \left( x \right) - f \left( 5 \right) g \left( 5 \right)}{x - 5} =limx5+(2x+a)(x5)(xb)x5\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 5 +} {} \frac{\left( - 2 x + a \right) \left( x - 5 \right) \left( x - b \right)}{x - 5} =limx5+(2x+a)(xb)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow 5 +} {} \left( - 2 x + a \right) \left( x - b \right)=(10+a)(5b)= \left( - 10 + a \right) \left( 5 - b \right) 에서 10(5b)=(10+a)(5b)10 \left( 5 - b \right) = \left( - 10 + a \right) \left( 5 - b \right), (a20)(5b)=0\left( a - 20 \right) \left( 5 - b \right) = 0 a=20a = 20 또는 b=5b = 5 \cdots \cdots ㉠ 또한 limxa2f(x)g(x)f(a2)g(a2)xa2\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow \frac{a}{2} -} {} \frac{f \left( x \right) g \left( x \right) - f \left( \frac{a}{2} \right) g \left( \frac{a}{2} \right)}{x - \frac{a}{2}} =limxa2(2x+a)(x5)(xb)xa2\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow \frac{a}{2} -} {} \frac{\left( - 2 x + a \right) \left( x - 5 \right) \left( x - b \right)}{x - \frac{a}{2}} =limxa2{2(x5)(xb)}=(a+10)(a2b)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow \frac{a}{2} -} {} \left\{ - 2 \left( x - 5 \right) \left( x - b \right) \right\} = \left( - a + 10 \right) \left( \frac{a}{2} - b \right) limxa2+f(x)g(x)f(a2)g(a2)xa2\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow \frac{a}{2} +} {} \frac{f \left( x \right) g \left( x \right) - f \left( \frac{a}{2} \right) g \left( \frac{a}{2} \right)}{x - \frac{a}{2}} =limxa2+(2xa)(x5)(xb)xa2\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow \frac{a}{2} +} {} \frac{\left( 2 x - a \right) \left( x - 5 \right) \left( x - b \right)}{x - \frac{a}{2}} =limxa2+2(x5)(xb)=(a10)(a2b)\displaystyle = \lim\limits _{x \rightarrow \frac{a}{2} +} {} 2 \left( x - 5 \right) \left( x - b \right) = \left( a - 10 \right) \left( \frac{a}{2} - b \right) 에서 (a+10)(a2b)=(a10)(a2b)\displaystyle \left( - a + 10 \right) \left( \frac{a}{2} - b \right) = \left( a - 10 \right) \left( \frac{a}{2} - b \right) (a10)(a2b)=0\left( a - 10 \right) \left( a - 2 b \right) = 0 a11a \geq 11이므로 a=2ba = 2 b \cdots \cdots ㉡ 그러므로 ㉠, ㉡에 의하여 순서쌍 (a,b)\left( a , b \right)(20,10)\left( 20 , 10 \right) (ⅰ), (ⅱ)에 의하여 모든 순서쌍 (a,b)\left( a , b \right)의 개수는 1111

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