수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+2점 · 적분구간의 하한 cosθ\displaystyle \cos\theta +2점 · 적분구간의 상한 cotθ\displaystyle \cot\theta +1점 · 정적분 계산 cosθcotθ1x3dx=12(sec2θtan2θ)\displaystyle \int_{\cos\theta}^{\cot\theta}\frac{1}{x^3}\,dx=\frac12(\sec^2\theta-\tan^2\theta) +2점 · 정답 1/2\displaystyle 1/2

[문제 2-1](1) S\displaystyle S의 넓이는cosθcotθ1x3dx=[12x2]cosθcotθ=12cot2θ+12cos2θ=12(sec2θtan2θ)\displaystyle \int_{\cos\theta}^{\cot\theta}\frac{1}{x^3}\,dx=\Biggl[-\frac{1}{2x^2}\Biggr]_{\cos\theta}^{\cot\theta}=-\frac{1}{2\cot^2\theta}+\frac{1}{2\cos^2\theta}=\frac12(\sec^2\theta-\tan^2\theta)이다. 삼각함수 공식에 의해 이것은 12\displaystyle \frac12이므로 θ\displaystyle \theta에 관계없이 일정하다.

+2점 · cosπ3=12\displaystyle \cos\frac{\pi}{3}=\frac12 +2점 · cotπ3=13\displaystyle \cot\frac{\pi}{3}=\frac{1}{\sqrt3} +2점 · 부분적분 1/21/3(1x)exdx=[(1x)ex]1/21/31/21/3exdx\displaystyle \int_{1/2}^{1/\sqrt3}(1-x)e^{-x}\,dx=\Biggl[-(1-x)e^{-x}\Biggr]_{1/2}^{1/\sqrt3}-\int_{1/2}^{1/\sqrt3}e^{-x}\,dx +2점 · 정답 13e1/312e1/2\displaystyle \frac{1}{\sqrt3}e^{-1/\sqrt3}-\frac12e^{-1/2}

(2) cosπ3=12, cotπ3=13\displaystyle \cos\frac{\pi}{3}=\frac12,\ \cot\frac{\pi}{3}=\frac{1}{\sqrt3}이므로, S\displaystyle S의 넓이는1/21/3(1x)exdx=[(1x)ex]1/21/31/21/3exdx=13e1/312e1/2\displaystyle \int_{1/2}^{1/\sqrt3}(1-x)e^{-x}\,dx=\Biggl[-(1-x)e^{-x}\Biggr]_{1/2}^{1/\sqrt3}-\int_{1/2}^{1/\sqrt3}e^{-x}\,dx=\frac{1}{\sqrt3}e^{-1/\sqrt3}-\frac12e^{-1/2}

+7점 · 세 도형의 넓이를 그림이나 글로 비교하여 부등식이 성립함을 설명 ※ 서술이나 그림이 부정확하면 부분점수 2~3점

[문제 2-2](1) f(x)\displaystyle f(x)가 감소함수이므로 S\displaystyle S의 넓이는 밑변의 길이를 L\displaystyle L, 높이를 f(a)\displaystyle f(a)로 하는 사각형의 넓이보다 작고 밑변의 길이를 L\displaystyle L, 높이를 f(b)\displaystyle f(b)로 하는 사각형의 넓이보다는 크다. 따라서 부등식 ()\displaystyle (\ast)가 성립한다.

감소함수 아래의 영역과 높이가 f(a), f(b)인 두 직사각형의 넓이 비교
+4점 · 도함수 계산 f(x)=1x11+x\displaystyle f^{\prime}(x)=1-x-\frac{1}{1+x} +4점 · 부등식 f(x)=x21+x<0\displaystyle f^{\prime}(x)=-\frac{x^2}{1+x}<0에 의해 f\displaystyle f는 감소함수

(2) 도함수 f(x)=1x11+x=x21+x<0\displaystyle f^{\prime}(x)=1-x-\frac{1}{1+x}=-\frac{x^2}{1+x}<0이므로, 구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에서 감소하는 함수이다.

+3점 · 부등식 f(b)TLf(a)\displaystyle f(b)\le\frac{T}{L}\le f(a) +3점 · limθπ2TL=limx0+f(x)=limx0+(2+xx22ln(1+x))\displaystyle \lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-}\frac{T}{L}=\lim_{x\to0+}f(x)=\lim_{x\to0+}\left(2+x-\frac{x^2}{2}-\ln(1+x)\right) +2점 · 정답은 2

(3) 문제 (2)로부터 f(x)=2+xx22ln(1+x)\displaystyle f(x)=2+x-\frac{x^2}{2}-\ln(1+x)(0,1]\displaystyle (0,1]에서 감소하는 함수이므로 제시문 (나)의 부등식 ()\displaystyle (\ast)가 성립하여f(b)TLf(a)\displaystyle f(b)\le\frac{T}{L}\le f(a)가 얻는다. θπ2\displaystyle \theta\to\frac{\pi}{2}-일 때 a0+, b0+\displaystyle a\to0+,\ b\to0+가 성립하므로, 함수의 극한의 대소 관계에 의하여limθπ2TL=limx0+f(x)=limx0+(2+xx22ln(1+x))=2\displaystyle \lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-}\frac{T}{L}=\lim_{x\to0+}f(x)=\lim_{x\to0+}\left(2+x-\frac{x^2}{2}-\ln(1+x)\right)=2이므로, limθπ2TL=2\displaystyle \lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-}\frac{T}{L}=2이다.

+5점 · 함수 f\displaystyle f는 주어진 구간에서 최댓값 M\displaystyle M과 최솟값 m\displaystyle m을 가지므로 mTLM\displaystyle m\le\frac{T}{L}\le M +5점 · limθπ2m=limθπ2M=limx0+f(x)=f(0)\displaystyle \lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-}m=\lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-}M=\lim_{x\to0+}f(x)=f(0) +2점 · 정답 f(0)=2\displaystyle f(0)=2

[문제 2-3]함수 f(x)\displaystyle f(x)가 연속이므로 최대·최소 정리에 의해서 구간 [cosθ,cotθ]\displaystyle [\cos\theta,\cot\theta]에서 최댓값 M\displaystyle M과 최솟값 m\displaystyle m을 가진다. 따라서 S\displaystyle S의 넓이를 생각하면mLTML.\displaystyle mL\le T\le ML.또는mTLM\displaystyle m\le\frac{T}{L}\le M이 성립한다. 한편 θπ2\displaystyle \theta\to\frac{\pi}{2}-일 때 x0+\displaystyle x\to0+이므로 limθπ2m=limθπ2M=limx0+f(x)=f(0)\displaystyle \lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-}m=\lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-}M=\lim_{x\to0+}f(x)=f(0)가 성립한다. 따라서 limθπ2TL=f(0)=2\displaystyle \lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-}\frac{T}{L}=f(0)=2이다.

※평균값 정리를 이용해도 무방함.

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