수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문항 2] (50점) 다음 제시문을 읽고 논제에 답하라.

양수 a\displaystyle a에 대해, 중심이 점 (a,0)\displaystyle (a,0)인 원이 아래 그림과 같이 x≥0\displaystyle x\ge0에서 정의된 두 곡선 y=x2\displaystyle y=x^2, y=−x2\displaystyle y=-x^2과 각각 한 점에서만 만난다. 이때 원의 반지름을 r\displaystyle r이라고 하고 원과 곡선 y=x2\displaystyle y=x^2이 만나는 점을 (s,t)\displaystyle (s,t)라고 하자.

두 포물선과 한 점에서 만나는 중심 (a, 0), 반지름 r인 원

점 (a,0)\displaystyle (a,0)이 x\displaystyle x축을 따라 원점으로 다가갈수록 원의 반지름 r\displaystyle r은 작아지고, s\displaystyle s와 t\displaystyle t도 작아진다. 즉, 세 양수 r,s,t\displaystyle r,s,t는 a\displaystyle a에 의존하여 변한다. 특히, 점 (s,t)\displaystyle (s,t)는 다음의 식을 만족함이 알려져 있다.t=a−s2s\displaystyle t=\frac{a-s}{2s}  또는  2st+s−a=0\displaystyle 2st+s-a=0 --- ㉠식 ㉠과 t=s2\displaystyle t=s^2를 이용하면2s3+s=a\displaystyle 2s^3+s=a를 얻는다. s\displaystyle s는 양수이므로 0<s<a\displaystyle 0<s<a이어야 한다. 그러므로 lim⁡a→0+s=0\displaystyle \lim_{a\to0^+}s=0이 된다.

[문제 2-1] (10점)원의 중심 (a,0)\displaystyle (a,0)과 점 (s,t)\displaystyle (s,t)를 잇는 선분을 ℓ1\displaystyle \ell_1이라 하고 ℓ1\displaystyle \ell_1과 x\displaystyle x축이 이루는 예각을 θ\displaystyle \theta (라디안)이라고 하자. a\displaystyle a가 0에 한없이 가까워질 때, θ\displaystyle \theta가 π2\displaystyle \frac\pi2에 한없이 가까워짐을 보여라.

[문제 2-2] (20점)n=0,1,2,⋯\displaystyle n=0,1,2,\cdots에 대하여 다음의 물음에 답하라.(1) anr\displaystyle \frac{a^n}r을 a,r,t\displaystyle a,r,t를 포함하지 않는 s\displaystyle s만의 식으로 나타내라.(2) lim⁡a→0+anr\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{a^n}r이 정수가 되는 n\displaystyle n을 모두 구하라.

[문제 2-3] (20점)제시문과 [문제 2-1]을 참고하여 다음의 물음에 답하라.(1) x\displaystyle x축에 대하여 선분 ℓ1\displaystyle \ell_1과 대칭인 선분을 ℓ2\displaystyle \ell_2라 하자. x≥0\displaystyle x\ge0에서 정의된 두 곡선 y=x2\displaystyle y=x^2, y=−x2\displaystyle y=-x^2과 두 선분 ℓ1,ℓ2\displaystyle \ell_1,\ell_2로 둘러싸인 영역의 넓이를 S\displaystyle S라 하자. S\displaystyle S를 a,r,t\displaystyle a,r,t를 포함하지 않는 s\displaystyle s만의 식으로 나타내라.(2) (1)에서 서술한 영역 중 원 내부에 포함된 부분의 넓이를 T\displaystyle T라 할 때, lim⁡a→0+TS\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac TS을 구하라.

해설강의 준비중
+6점 · lim⁡a→0+sin⁡θ=lim⁡s→0+14s2+1=1\displaystyle \lim_{a\to0^+}\sin\theta=\lim_{s\to0^+}\frac1{\sqrt{4s^2+1}}=1이 된다.

[문제 2-1] (10점)식 ㉠을 이용하면sin⁡θ=tr=t(a−s)2+t2=t(2st)2+t2=14s2+1\displaystyle \sin\theta=\frac tr=\frac t{\sqrt{(a-s)^2+t^2}}=\frac t{\sqrt{(2st)^2+t^2}}=\frac1{\sqrt{4s^2+1}}이고 lim⁡a→0+sin⁡θ=lim⁡s→0+14s2+1=1\displaystyle \lim_{a\to0^+}\sin\theta=\lim_{s\to0^+}\frac1{\sqrt{4s^2+1}}=1이 된다.

+4점 · 사인함수의 연속성에 의하여 lim⁡a→0+θ=π2\displaystyle \lim_{a\to0^+}\theta=\frac\pi2이다.

0<θ<π2\displaystyle 0<\theta<\frac\pi2이고 1=sin⁡π2\displaystyle 1=\sin\frac\pi2이므로 사인함수의 연속성에 의하여 lim⁡a→0+θ=π2\displaystyle \lim_{a\to0^+}\theta=\frac\pi2이다.

+2점 · r=t4s2+1=s24s2+1\displaystyle r=t\sqrt{4s^2+1}=s^2\sqrt{4s^2+1}을 얻는다.

[문제 2-2] (20점)(1) 점 (s,t)\displaystyle (s,t)와 점 (a,0)\displaystyle (a,0)사이의 거리가 원의 반지름 r\displaystyle r이다. 이와 함께 식 ㉠과 점 (s,t)\displaystyle (s,t)가 포물선 위에 있다는 것을 이용하면 식r=t4s2+1=s24s2+1\displaystyle r=t\sqrt{4s^2+1}=s^2\sqrt{4s^2+1}을 얻는다.

+3점 · anr=(2s3+s)ns24s2+1\displaystyle \frac{a^n}r=\frac{(2s^3+s)^n}{s^2\sqrt{4s^2+1}}의 식을 얻게 된다.

위 식과 식 2s3+s=a\displaystyle 2s^3+s=a를 이용하면anr=(2s3+s)ns24s2+1\displaystyle \frac{a^n}r=\frac{(2s^3+s)^n}{s^2\sqrt{4s^2+1}}의 식을 얻게 된다.

+2점 · n=0;\displaystyle n=0; lim⁡a→0+a0r=∞\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{a^0}r=\infty.

(2) n\displaystyle n에 따라 다음의 극한을 관찰할 수 있다.n=0;\displaystyle n=0;  lim⁡a→0+a0r=lim⁡s→0+1s24s2+1=∞\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{a^0}r=\lim_{s\to0^+}\frac1{s^2\sqrt{4s^2+1}}=\infty.

+4점 · n=1;\displaystyle n=1; lim⁡a→0+ar=∞\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac ar=\infty.

n=1;\displaystyle n=1;  lim⁡a→0+ar=lim⁡s→0+2s3+ss24s2+1=lim⁡s→0+2s2+1s4s2+1=∞\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac ar=\lim_{s\to0^+}\frac{2s^3+s}{s^2\sqrt{4s^2+1}}=\lim_{s\to0^+}\frac{2s^2+1}{s\sqrt{4s^2+1}}=\infty.

+5점 · n=2;\displaystyle n=2; lim⁡a→0+a2r=1\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{a^2}r=1.

n=2;\displaystyle n=2;  lim⁡a→0+a2r=lim⁡s→0+(2s3+s)2s24s2+1=lim⁡s→0+(2s2+1)24s2+1=1\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{a^2}r=\lim_{s\to0^+}\frac{(2s^3+s)^2}{s^2\sqrt{4s^2+1}}=\lim_{s\to0^+}\frac{(2s^2+1)^2}{\sqrt{4s^2+1}}=1.

+4점 · n≥3;\displaystyle n\ge3; lim⁡a→0+anr=0\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{a^n}r=0.

n≥3;\displaystyle n\ge3;  lim⁡a→0+anr=lim⁡s→0+(2s3+s)ns24s2+1=lim⁡s→0+(2s2+1)nsn−24s2+1=0\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{a^n}r=\lim_{s\to0^+}\frac{(2s^3+s)^n}{s^2\sqrt{4s^2+1}}=\lim_{s\to0^+}\frac{(2s^2+1)^n s^{n-2}}{\sqrt{4s^2+1}}=0.따라서 문제에서 구하는 답은 2이상의 정수가 된다.

+5점

[문제 2-3] (20점)(1) 관찰을 통해 S=(a−s)t+2∫0sx2 dx\displaystyle S=(a-s)t+2\int_0^s x^2\,dx임을 알 수 있다.

+5점 · S=(2st)t+23s3=2s5+23s3\displaystyle S=(2st)t+\frac23s^3=2s^5+\frac23s^3을 얻는다.

따라서, 식 ㉠과 점 (s,t)\displaystyle (s,t)가 포물선 위에 있다는 것에 의하여 식S=(2st)t+23s3=2s5+23s3\displaystyle S=(2st)t+\frac23s^3=2s^5+\frac23s^3을 얻는다.

+4점

(2) 부채꼴의 넓이의 공식을 이용하면 T=r2θ=s4(4s2+1)θ\displaystyle T=r^2\theta=s^4(4s^2+1)\theta이다.

+6점 · lim⁡a→0+TS=lim⁡s→0+s(4s2+1)2s2+23lim⁡a→0+θ=0\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac TS=\lim_{s\to0^+}\frac{s(4s^2+1)}{2s^2+\frac23}\lim_{a\to0^+}\theta=0의 극한값을 얻게 된다.

따라서 lim⁡a→0+θ=π2\displaystyle \lim_{a\to0^+}\theta=\frac\pi2를 이용하면lim⁡a→0+TS=lim⁡s→0+s(4s2+1)2s2+23lim⁡a→0+θ=0\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac TS=\lim_{s\to0^+}\frac{s(4s^2+1)}{2s^2+\frac23}\lim_{a\to0^+}\theta=0의 극한값을 얻게 된다.

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