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2022학년도 6월 모의평가 수학 22번 풀이·해설

다항함수의 미분정답 61 · 평가원 정답표 검증 완료

어떤 문제인가

이 문제는 주어진 조건들을 만족하는 삼차함수 $f(x)$의 식을 구하고, 이를 통해 $f(0)$의 값을 찾는 문제입니다. 문제를 풀기 위해 머릿속에 넣어두어야 할 핵심 개념은 다음과 같습니다.

x y 접점 접점도 교점 하나로 센다
삼차함수와 한 접선을 함께 그렸습니다. 접점도 교점 하나로 세고 추가 교점이 생기는지 판정하는 구조를 보여 줍니다.

단계별 풀이

1단계: 중근과 단일근을 구별하여 식을 세우기

조건 (가)에서 중근을 $r$, 단일근을 $s$라 하면

$$f(x)=A(x-r)^2(x-s),\qquad A\ne0,\quad r\ne s$$

입니다. 조건 (나)는 $x-f(x)=r$ 또는 $x-f(x)=s$의 서로 다른 실근 수가 합하여 $3$이라는 뜻입니다. 두 방정식의 근은 서로 겹치지 않습니다.

각 식을 인수분해하면

$$x-f(x)-r=(x-r)\{1-A(x-r)(x-s)\},$$

$$x-f(x)-s=(x-s)\{1-A(x-r)^2\}$$

입니다.

2단계: 실근 개수 조건으로 최고차항의 계수 구하기

$A>0$이면 첫 번째 식의 이차인수는 서로 다른 두 실근을 가지며 $r$과 겹치지 않습니다. 따라서 첫 번째 방정식만 이미 세 실근을 가지므로 불가능합니다.

그러므로 $A<0$입니다. 이때 두 번째 식의 중괄호는 항상 양수여서 근이 $s$ 하나뿐입니다. 첫 번째 방정식의 근은 정확히 두 개여야 하므로 이차인수가 중근을 가져야 합니다. 이차방정식

$$(x-r)(x-s)=\frac1A$$

의 판별식이 $0$이라는 조건은

$$(r-s)^2+\frac4A=0$$

입니다. $d=s-r$로 놓으면 $A=-4/d^2$입니다.

3단계: $f(1)$과 $f'(1)$로 가능한 경우 찾기

$u=(1-r)/d$라 놓으면

$$f(1)=4du^2(1-u)=4,$$

$$f'(1)=-4u(3u-2)=1$$

입니다. 두 번째 식에서

$$12u^2-8u+1=0\quad\Longrightarrow\quad u=\frac12\ \text{또는}\ \frac16.$$

기울기가 $1$인 접선은 둘일 수 있으므로, $x=1$의 접선이 곧바로 조건 (나)의 접선이라고 단정하면 이 두 번째 경우를 놓치게 됩니다. 여기서는 $f'(0)>1$ 조건까지 사용해 첫 번째 경우만 남깁니다.

4단계: 조건을 확인하고 $f(0)$ 구하기

남은 함수에서는 $f'(0)=21/16>1$입니다. 또한

$$x-f(x)+3=\frac{(x+3)(x-1)^2}{16},$$

$$x-f(x)-5=(x-5)\left\{1+\frac{(x+3)^2}{16}\right\}$$

이므로 조건 (나)의 서로 다른 실근은 $-3,1,5$의 세 개입니다.

따라서

$$f(0)=-\frac1{16}\cdot9\cdot(-5)=\frac{45}{16}.$$

답

$$p+q=16+45=61$$

확인해보기

3단계의 두 후보 중 두 번째 함수도 $f(1)=4$, $f'(1)=1$과 조건 (가), (나)를 만족합니다. 어떤 조건이 이 후보를 제외하는지 설명해 보세요.

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