미적분Ⅱ도함수의 활용수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

합성함수 실근 극소

문제

두 함수 f(x)=x2ax+bf ( x ) = x ^{2} - ax + b (a>0a > 0), g(x)=x2ex2\displaystyle g ( x ) = x ^{2} e ^{- \frac{x}{2}}에 대하여 상수 kk와 함수 h(x)=(fg)(x)h ( x ) = ( f \circ g ) ( x )가 다음 조건을 만족시킨다.

(가) h(0)<h(4)h ( 0 ) < h ( 4 ) (나) 방정식 h(x)=k\left| h ( x ) \right| = k의 서로 다른 실근의 개수는 77이고, 그 중 가장 큰 실근을 α\alpha라 할 때, 함수 h(x)h ( x )x=αx = \alpha에서 극소이다.

f(1)=732\displaystyle f ( 1 ) = \mathit{-} \frac{7}{32}일 때, 두 상수 aa, bb에 대하여 a+16ba + 16 b의 값을 구하시오. (단, 52<e<3\displaystyle \frac{5}{2} < e < 3이고, limxg(x)=0\displaystyle \lim\limits _{x \rightarrow \infty} {} g ( x ) = 0이다.) [4점]

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해설

f(x)=x2ax+bf ( x ) = x ^{2} - ax + b g(x)=x2ex2\displaystyle g ( x ) = x ^{2} e ^{- \frac{x}{2}}

g(x)g ( x )는 극솟값 g(0)=0g ( 0 ) = 0, 극댓값 g(4)=16e2\displaystyle g ( 4 ) = \frac{16}{e ^{2}} limxg(x)=0\displaystyle \lim\limits _{x\rightarrow \infty} g ( x ) = 0, limxg(x)=\displaystyle \lim\limits _{x\rightarrow -\infty} g ( x ) = \infty (가) h(0)=f(0)=bh ( 0 ) = f ( 0 ) = b, h(4)=f(16e2)\displaystyle h ( 4 ) = f \left( \frac{16}{e ^{2}} \right)>b> b 이므로 0<a<16e2\displaystyle 0 < a < \frac{16}{e ^{2}} (단, 52<e<3\displaystyle \frac{5}{2} < e < 3) (나)를 만족시키려면 h(x)=f(g(x))h ( x ) = f ( g ( x ) )의 그래프는 다음과 같아야 한다.

f(x)=2xaf' ( x ) = 2 x - a, g(x)=12x(4x)ex2\displaystyle g' ( x ) = \frac{1}{2} x ( 4 - x ) e ^{- \frac{x}{2}} h(x)=g(x)f(g(x))h' ( x ) = g' ( x ) f' ( g ( x ) ) =12x(4x)ex2{2g(x)a}\displaystyle = \frac{1}{2} x ( 4 - x ) e ^{- \frac{x}{2}} \{ 2 g ( x ) - a \} g(x)g ( x )=a2\displaystyle = \frac{a}{2}, (0<a2<8e2\displaystyle 0 < \frac{a}{2} < \frac{8}{e ^{2}})에서 h(x)h ( x )는 극솟값인데, 그 값이 k=f(0)=b- k = - f ( 0 ) = - b=f(a2)\displaystyle = f \left( \frac{a}{2} \right) f(x)=(xa2)2+ba24\displaystyle f ( x ) = \left( x - \frac{a}{2} \right) ^{2} + b - \frac{a ^{2}}{4}에서 a24=2b\displaystyle \frac{a ^{2}}{4} = 2 b, 즉 b=a28\displaystyle b = \frac{a ^{2}}{8} 한편 f(1)=1a+b=1a+a28=732\displaystyle f ( 1 ) = 1 - a + b = 1 - a + \frac{a ^{2}}{8} = - \frac{7}{32}이므로 4a232a+39=04 a ^{2} - 32 a + 39 = 0, (2a13)(2a3)=0( 2 a - 13 ) ( 2 a - 3 ) = 0 0<a<16e2\displaystyle 0 < a < \frac{16}{e ^{2}}이므로 a=32\displaystyle a = \frac{3}{2}이고 b=932\displaystyle b = \frac{9}{32}이다. \therefore a+16b=32+92=6\displaystyle a + 16 b = \frac{3}{2} + \frac{9}{2} = 6

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