2024학년도 수능 수학 미적분 28번 풀이 | 실근 위치와 정적분

2024학년도 수능 수학 미적분 28번은 f(x)=t의 두 실근 위치 관계 2g(t)+h(t)=k를 이용해 오른쪽 그래프를 정하고, 정적분 조건으로 k=5를 얻어 f(9)/f(8)=4e^7/3을 계산하는 풀이이다.

문항코드
241128c
정답
②
발행

문제

2024학년도 대학수학능력시험 수학 미적분 28번 문제
2024학년도 대학수학능력시험 수학 미적분 28번 문제 조건
문제 텍스트 객관식

실수 전체의 집합에서 연속인 함수 f(x)f(x)가 모든 실수 xx에 대하여 f(x)≥0f(x)\ge0이고, x<0x<0일 때

f(x)=−4xe4x2f(x)=-4xe^{4x^2}

이다. 모든 양수 tt에 대하여 xx에 대한 방정식 f(x)=tf(x)=t의 서로 다른 실근의 개수는 22이고, 이 방정식의 두 실근 중 작은 값을 g(t)g(t), 큰 값을 h(t)h(t)라 하자.

두 함수 g(t),h(t)g(t), h(t)는 모든 양수 tt에 대하여

2g(t)+h(t)=k(k는 상수)2g(t)+h(t)=k\quad(k\text{는 상수})

를 만족시킨다.

∫07f(x) dx=e4−1\int_0^7 f(x)\,dx=e^4-1

일 때, f(9)f(8)\dfrac{f(9)}{f(8)}의 값은? [4점]

  1. ① 32e5\dfrac{3}{2}e^5
  2. ② 43e7\dfrac{4}{3}e^7
  3. ③ 54e9\dfrac{5}{4}e^9
  4. ④ 65e11\dfrac{6}{5}e^{11}
  5. ⑤ 76e13\dfrac{7}{6}e^{13}

정답

②

풀이

수평선 y=ty=t가 왼쪽에서 한 번만 만나는지 보자

문제에서 공식이 직접 주어진 구간은 x<0x<0이다.
먼저 그쪽 그래프에 수평선 y=ty=t를 그어 보면, 양수 tt마다 왼쪽에서 근이 하나 생기는지부터 확인해야 한다.
그래야 작은 근 g(t)g(t)를 실제로 잡을 수 있다.

x<0x<0에서 f(x)=−4xe4x2f(x)=-4xe^{4x^2}이고, f′(x)=−4(1+8x2)e4x2<0f'(x)=-4(1+8x^2)e^{4x^2}<0이다.
따라서 음수 구간에서 f(x)f(x)는 감소한다.
또

lim⁡x→−∞(−4xe4x2)=∞,lim⁡x→0−(−4xe4x2)=0\lim_{x\to-\infty}(-4xe^{4x^2})=\infty,\qquad \lim_{x\to0-}(-4xe^{4x^2})=0

이다.

그러므로 t>0t>0인 수평선은 음수 구간의 그래프와 정확히 한 번 만난다.
이 근이 두 근 중 작은 근이므로 g(t)g(t)이다.

또 x→0−x\to0-일 때 −4xe4x2→0-4xe^{4x^2}\to0이고 ff는 실수 전체에서 연속이므로 f(0)=0f(0)=0이다.
양수 높이 tt에 대한 근은 x=0x=0에 놓일 수 없다.

왼쪽 근을 −a-a로 두고 오른쪽 근을 찍어보자

음수인 근을 g(t)=−ag(t)=-a라고 두자.
여기서 a>0a>0이다.
그러면 그 수평선의 높이는 t=f(−a)=4ae4a2t=f(-a)=4ae^{4a^2}이다.

조건 2g(t)+h(t)=k2g(t)+h(t)=k는 같은 높이 tt에서 왼쪽 근과 오른쪽 근의 위치가 항상 일정한 방식으로 묶인다는 뜻이다.
g(t)=−ag(t)=-a를 대입하면 2(−a)+h(t)=k2(-a)+h(t)=k이므로 h(t)=k+2ah(t)=k+2a이다.

아래 그래프에서 회색 점선 y=ty=t는 빨간 두 교점 GG와 HH를 같은 높이에서 지나고, x축 아래 브레이스는 왼쪽 길이 aa와 오른쪽 길이 2a2a를 표시한다.
이 배치가 h(t)=k+2ah(t)=k+2a의 위치 관계이다.

수평선 y=t가 왼쪽 근 g(t)=-a와 오른쪽 근 h(t)=k+2a를 같은 높이에서 지나는 그래프
같은 높이 tt에서 왼쪽 근이 −a-a이면 오른쪽 근은 k+2ak+2a로 정해진다.

여기서 aa는 하나의 값만 뜻하지 않는다.
tt가 모든 양수를 움직이면, 음수 구간의 유일한 근도 00에 가까운 곳부터 왼쪽 먼 곳까지 움직인다.
즉 aa는 모든 양수 값을 지난다.
특히 aa를 아주 작게 만들 수 있다.

큰 근 h(t)h(t)는 음수 구간의 근과 달라야 하고 x=0x=0에도 놓일 수 없으므로 양수 쪽에 있어야 한다.
따라서 모든 a>0a>0에 대해 k+2a>0k+2a>0이어야 한다.
아주 작은 aa에서도 이 부등식이 성립해야 하므로 k≥0k\ge0이다.

이제 오른쪽 그래프의 식을 얻는다.
h(t)=k+2ah(t)=k+2a라는 말은 높이가 4ae4a24ae^{4a^2}인 점의 오른쪽 xx좌표가 k+2ak+2a라는 뜻이다.
a>0a>0 전체가 움직이면 x=k+2ax=k+2a는 x>kx>k 전체를 훑는다.

따라서 x=k+2ax=k+2a, 즉 a=x−k2a=\dfrac{x-k}{2}로 바꾸면 x>kx>k에서

f(x)=4ae4a2=2(x−k)e(x−k)2f(x)=4ae^{4a^2} =2(x-k)e^{(x-k)^2}

이다.

여기서 확인한 내용은 수평선 하나하나에 대해 오른쪽 근의 위치가 k+2ak+2a로 정해진다는 점이다.
그 점들이 x>kx>k를 모두 채우기 때문에 양수 쪽의 식이 정해진다.

비어 있는 구간 0≤x≤k0\le x\le k에 양수값이 있으면 근이 세 개가 된다

방금 얻은 식은 x>kx>k에서만 정해졌다.
그래서 남은 구간은 0≤x≤k0\le x\le k이다.
이 구간을 확인해야 하는 이유는 간단하다.
여기에 양수값이 하나라도 있으면, 같은 높이의 수평선이 이미 정해진 두 근 말고 한 번 더 만나게 된다.

아래 그림에서는 노란 0≤x≤k0\le x\le k 띠 안의 파란 점 CC에 빨간 X가 겹쳐 있다.
회색 수평선 y=t=f(c)y=t=f(c)가 왼쪽 빨간 점 GG, 가운데 CC, 오른쪽 빨간 점 HH 세 곳을 모두 지나므로 근 3개 → 제외가 된다.

0≤x≤k 구간 안의 양수값 후보 c 때문에 수평선 y=t=f(c)가 g(t), c, h(t) 세 점을 지나는 그래프
0≤x≤k0\le x\le k 안에 양수값이 있으면 같은 높이의 근이 세 개가 된다.

어떤 c∈(0,k]c\in(0,k]에서 f(c)>0f(c)>0이라고 해 보자.
t=f(c)t=f(c)로 두면 f(x)=tf(x)=t의 근에는 음수 근 g(t)g(t)가 있다.
또 오른쪽 근은 h(t)=k+2ah(t)=k+2a 꼴이므로 h(t)>kh(t)>k이다.
그런데 c≤kc\le k이므로 cc는 h(t)h(t)와 다른 점이다.

그러면 같은 방정식 f(x)=tf(x)=t가 음수 근, cc, h(t)h(t)를 모두 근으로 갖는다.
서로 다른 실근이 적어도 33개가 되어 문제의 조건과 맞지 않는다.

문제에서 모든 xx에 대해 f(x)≥0f(x)\ge0이라고 했으므로, 이 구간에서 양수값을 가질 수 없다면 남는 가능성은 00뿐이다.
따라서

f(x)={0,0≤x≤k,2(x−k)e(x−k)2,x>kf(x)= \begin{cases} 0, & 0\le x\le k,\\[2mm] 2(x-k)e^{(x-k)^2}, & x>k \end{cases}

이다.

적분값으로 7−k7-k를 찾아보자

이제 적분 조건이 kk를 정한다.
만약 k≥7k\ge7이면 0≤x≤70\le x\le7 전체에서 f(x)=0f(x)=0이므로 적분값이 00이 된다.
그런데 주어진 값은 e4−1>0e^4-1>0이다.
따라서 0≤k<70\le k<7이다.

그러면 00부터 kk까지는 넓이가 없고, kk부터 77까지만 계산하면 된다.

∫07f(x) dx=∫k72(x−k)e(x−k)2 dx\int_0^7 f(x)\,dx =\int_k^7 2(x-k)e^{(x-k)^2}\,dx

이다.
이 적분은 (x−k)2(x-k)^2를 미분하면 2(x−k)2(x-k)가 나오는 구조이므로

∫k72(x−k)e(x−k)2 dx=[e(x−k)2]k7=e(7−k)2−1\int_k^7 2(x-k)e^{(x-k)^2}\,dx =\left[e^{(x-k)^2}\right]_k^7 =e^{(7-k)^2}-1

이다.

주어진 적분값과 비교하면 e(7−k)2−1=e4−1e^{(7-k)^2}-1=e^4-1이므로 (7−k)2=4(7-k)^2=4이다.
이미 k<7k<7이므로 7−k=27-k=2이고, 따라서 k=5k=5이다.

8,98,9가 왼쪽의 어느 점과 같은 높이인지 보자

k=5k=5가 정해졌으므로 오른쪽 점 xx는 왼쪽의 −x−k2-\dfrac{x-k}{2}와 같은 높이에 있다.
이 대응을 쓰면 8=5+2⋅328=5+2\cdot\dfrac32이고 9=5+2⋅29=5+2\cdot2이므로

f(8)=f(−32)=6e9,f(9)=f(−2)=8e16f(8)=f\left(-\frac32\right)=6e^9,\qquad f(9)=f(-2)=8e^{16}

이다.
따라서

f(9)f(8)=8e166e9=43e7\frac{f(9)}{f(8)} =\frac{8e^{16}}{6e^9} =\frac43 e^7

이다.
정답은 ②이다.

이 문항에서 어려웠던 지점

이 문항은 미분 계산보다 수평선 y=ty=t가 만드는 두 근의 위치 관계를 읽는 데서 갈린다.
왼쪽 근을 −a-a로 두면 오른쪽 근이 k+2ak+2a로 고정되고, 그 점들이 x>kx>k 전체를 채운다.
그 다음 남은 구간 0≤x≤k0\le x\le k에 양수값이 있으면 근이 세 개가 된다는 점까지 확인해야 함수의 모양이 완전히 정해진다.

문항코드: 241128c

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