심화 수학 문제

고등학교 수준의 어려운 수학 문제를 답과 단계별 풀이와 함께 모았습니다. 먼저 직접 풀어 본 뒤 풀이를 펼쳐 확인해 보세요.

이 페이지에는 이차방정식, 부등식, 로그, 미분, 원의 접선, 경우의 수, 수열처럼 시험과 심화 학습에서 자주 만나는 유형의 어려운 수학 문제 8개가 있습니다. 모든 문제에 정답과 풀이 과정이 있으며, 세상에서 가장 어려운 수학 문제로 불리는 밀레니엄 문제도 아래에서 소개합니다.

시작하기: 심화 수학

심화 수학 예제 문제

1. 이차방정식 x² − 5x + k = 0의 두 근의 제곱의 합이 13일 때, 상수 k의 값을 구하시오.+

답: k = 6

두 근을 α, β라 하면 α + β = 5, αβ = k입니다. α² + β² = (α + β)² − 2αβ = 25 − 2k이고 이 값이 13이므로 25 − 2k = 13, 즉 k = 6입니다. 확인: k = 6이면 x² − 5x + 6 = 0의 근은 2와 3이고, 2² + 3² = 13입니다.

2. 모든 실수 x에 대하여 부등식 x² − 2kx + 3k + 4 > 0이 성립하도록 하는 실수 k의 값의 범위를 구하시오.+

답: −1 < k < 4

이차함수의 그래프가 항상 x축 위에 있으려면 이차방정식의 판별식 D가 0보다 작아야 합니다. D/4 = k² − (3k + 4) = k² − 3k − 4 = (k − 4)(k + 1) < 0이므로 −1 < k < 4입니다. 경계값 k = −1, k = 4에서는 D = 0이라 그래프가 x축에 닿으므로 포함되지 않습니다.

3. 방정식 log₂ x + log₂ (x − 2) = 3의 해를 구하시오.+

답: x = 4

로그의 진수는 양수여야 하므로 x > 2입니다. log₂ x(x − 2) = 3에서 x(x − 2) = 8, 즉 x² − 2x − 8 = 0, (x − 4)(x + 2) = 0이므로 x = 4 또는 x = −2입니다. 그런데 x > 2여야 하므로 x = 4만 해입니다.

4. 함수 f(x) = x³ − 3x² + 2의 극솟값을 구하시오.+

답: −2

f′(x) = 3x² − 6x = 3x(x − 2)이므로 f′(x) = 0에서 x = 0 또는 x = 2입니다. x = 0의 좌우에서 f′의 부호가 +에서 −로 바뀌므로 극대, x = 2의 좌우에서 −에서 +로 바뀌므로 극소입니다. 극솟값은 f(2) = 8 − 12 + 2 = −2입니다. (참고로 극댓값은 f(0) = 2입니다.)

5. 원 x² + y² = 25 위의 점 (3, 4)에서의 접선의 방정식을 구하시오.+

답: 3x + 4y = 25

원 x² + y² = r² 위의 점 (x₁, y₁)에서의 접선의 방정식은 x₁x + y₁y = r²입니다. (3, 4)를 대입하면 3x + 4y = 25입니다. 확인: 원점에서 이 직선까지의 거리는 25 ÷ √(3² + 4²) = 5로 반지름과 같으므로 접선이 맞습니다.

6. 1, 2, 3, 4, 5를 한 번씩 모두 사용하여 만든 다섯 자리 자연수 중 6의 배수는 모두 몇 개인지 구하시오.+

답: 48개

6의 배수는 2의 배수이면서 3의 배수입니다. 각 자리 숫자의 합이 1 + 2 + 3 + 4 + 5 = 15로 항상 3의 배수이므로 짝수인 경우만 세면 됩니다. 일의 자리가 2 또는 4인 경우가 2가지이고, 나머지 네 자리를 배열하는 방법이 4! = 24가지이므로 2 × 24 = 48(개)입니다.

7. 1부터 100까지의 자연수 중에서 3의 배수 또는 5의 배수의 개수를 구하시오.+

답: 47개

포함–배제의 원리를 사용합니다. 3의 배수는 33개, 5의 배수는 20개이고, 3과 5의 공배수인 15의 배수는 6개입니다. 따라서 33 + 20 − 6 = 47(개)입니다.

8. 수열 {aₙ}이 a₁ = 1, aₙ₊₁ = 2aₙ + 1을 만족시킬 때, a₁₀의 값을 구하시오.+

답: 1023

aₙ₊₁ + 1 = 2(aₙ + 1)이므로 수열 {aₙ + 1}은 첫째항이 a₁ + 1 = 2이고 공비가 2인 등비수열입니다. 따라서 aₙ + 1 = 2ⁿ, 즉 aₙ = 2ⁿ − 1이고 a₁₀ = 2¹⁰ − 1 = 1023입니다.

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