수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문항 1] 【제시문】을 읽고 물음에 답하라.

(가) 두 곡선 y=x3\displaystyle y=x^3, y=x2\displaystyle y=x^2을 생각하자. 【그림1】과 같이 직선 y=ax\displaystyle y=ax가 제1사분면에서 곡선 y=x2\displaystyle y=x^2과 만나는 점을 P라 하고, 점 P에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 N이라 하자. (단, 0<a<1\displaystyle 0<a<1)

곡선 y=x³, y=x²와 직선 y=ax, 원 C 및 점 P, N

【그림1】의 색칠된 부분과 같이 두 곡선 y=x3\displaystyle y=x^3, y=x2\displaystyle y=x^2과 직선 y=ax\displaystyle y=ax로 둘러싸인 도형을 A\displaystyle A라 하자. A\displaystyle A의 넓이를 S(a)\displaystyle S(a), 직선 PN에 의해 나뉘는 A\displaystyle A의 오른쪽 부분의 넓이를 S1(a)\displaystyle S_1(a)라 한다.

(나) 원점을 중심으로 하고 점 P를 지나는 원을 C\displaystyle C라 하자. 점 P에서 원 C\displaystyle C에 그은 접선을 ℓ1\displaystyle \ell_1이라 하고 점 P에서 곡선 y=x2\displaystyle y=x^2에 그은 접선을 ℓ2\displaystyle \ell_2라 하자. 도형 A\displaystyle A 중 원 C\displaystyle C의 내부에 해당하는 부분의 넓이를 T(a)\displaystyle T(a)라 한다.

[문제 1-1] (20점)(가) 에 대한 물음에 답하라.(1) (10점) 다음 극한을 조사하라.lim⁡a→0+S(a)S1(a)\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{S(a)}{S_1(a)}(2) (10점) S(a)=124\displaystyle S(a)=\frac1{24}일 때, a\displaystyle a의 값을 구하라.

[문제 1-2] (30점)(가) 와 (나)에 대한 물음에 답하라.(1) (10점) 두 직선 ℓ1\displaystyle \ell_1과 ℓ2\displaystyle \ell_2가 이루는 예각의 크기를 최소로 하는 a\displaystyle a의 값을 구하라.(2) (8점) 점 (a+a2,(a+a2)3)\displaystyle \left(a+a^2,(a+a^2)^3\right)은 원 C\displaystyle C의 외부에 있음을 증명하라.(3) (12점) 극한 lim⁡a→0+T(a)am\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{T(a)}{a^m}의 값이 0이 아닌 실수가 되도록 하는 자연수 m\displaystyle m은 유일하다. 자연수 m\displaystyle m과 극한값을 구하라.

해설강의 준비중
+5점

[문제 1-1](1) 영역 A\displaystyle A는 직선 PN에 의해 두 부분으로 나뉘고, 각 영역의 넓이를 정적분으로 나타내어 보면,∫0a(x2−x3) dx=a33−a44\displaystyle \int_0^a(x^2-x^3)\,dx=\frac{a^3}3-\frac{a^4}4,∫aa(ax−x3) dx=a2(a−a2)−a24+a44=a24−a32+a44\displaystyle \int_a^{\sqrt a}(ax-x^3)\,dx=\frac a2(a-a^2)-\frac{a^2}4+\frac{a^4}4=\frac{a^2}4-\frac{a^3}2+\frac{a^4}4이다. 이로부터 S(a)=∫0a(x2−x3) dx+∫aa(ax−x3) dx=a24−a36\displaystyle S(a)=\int_0^a(x^2-x^3)\,dx+\int_a^{\sqrt a}(ax-x^3)\,dx=\frac{a^2}4-\frac{a^3}6이고,

+2점

S1(a)=∫aa(ax−x3) dx=a24−a32+a44\displaystyle S_1(a)=\int_a^{\sqrt a}(ax-x^3)\,dx=\frac{a^2}4-\frac{a^3}2+\frac{a^4}4이다.

+3점

따라서, lim⁡a→0+S(a)S1(a)=lim⁡a→0+a24−a36a24−a32+a44=lim⁡a→0+14−a614−a2+a24=1\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{S(a)}{S_1(a)}=\lim_{a\to0^+}\frac{\frac{a^2}4-\frac{a^3}6}{\frac{a^2}4-\frac{a^3}2+\frac{a^4}4}=\lim_{a\to0^+}\frac{\frac14-\frac a6}{\frac14-\frac a2+\frac{a^2}4}=1이다.

+5점

(2) 풀이 (1)에서 구한 도형 A\displaystyle A의 넓이는 S(a)=∫0a(x2−x3) dx+∫aa(ax−x3) dx=a24−a36\displaystyle S(a)=\int_0^a(x^2-x^3)\,dx+\int_a^{\sqrt a}(ax-x^3)\,dx=\frac{a^2}4-\frac{a^3}6이다.그러므로 S(a)=a24−a36=124\displaystyle S(a)=\frac{a^2}4-\frac{a^3}6=\frac1{24}을 풀면

+5점

a=12\displaystyle a=\frac12이다.

+4점

[문제 1-2](1) ℓ1\displaystyle \ell_1의 방정식은 ax+a2y=a2+a4\displaystyle ax+a^2y=a^2+a^4이며 그 기울기는 −1a\displaystyle -\frac1a이고 ℓ2\displaystyle \ell_2의 방정식은 y−a2=2a(x−a)\displaystyle y-a^2=2a(x-a)이며 그 기울기는 2a\displaystyle 2a이다.

+4점

직선 ℓ1\displaystyle \ell_1, ℓ2\displaystyle \ell_2가 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각을 각각 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta라 하면 두 직선이 이루는 각은 (α−β)\displaystyle (\alpha-\beta)이고 삼각함수의 덧셈정리와 산술평균과 기하평균의 대소 관계에 의하여 다음이 성립한다.tan⁡(α−β)=−1a−2a1+(−1a)⋅2a=1a+2a≥22\displaystyle \tan(\alpha-\beta)=\frac{-\frac1a-2a}{1+\left(-\frac1a\right)\cdot2a}=\frac1a+2a\ge2\sqrt2

+2점

등호는 1a=2a\displaystyle \frac1a=2a일 때, 즉 a=12\displaystyle a=\frac1{\sqrt2}일 때 성립하므로, 두 접선은 a=12\displaystyle a=\frac1{\sqrt2}일 때 각의 크기가 최소이다.

+4점

(2) 제시문으로부터 C:x2+y2=(a2+a4)\displaystyle C:x^2+y^2=(a^2+a^4)이다. 한편,(a+a2)2+((a+a2)3)2>(a+a2)2≥a2+a4\displaystyle (a+a^2)^2+\left((a+a^2)^3\right)^2>(a+a^2)^2\ge a^2+a^4

+4점

이므로 점 (a+a2,(a+a2)3)\displaystyle \left(a+a^2,(a+a^2)^3\right)은 원 C\displaystyle C의 외부에 있음을 알 수 있다.

+6점

(3) 풀이 (2)에 의하여 다음 부등식이 성립한다.∫0a(x2−x3) dx≤T(a)≤∫0a+a2(x2−x3) dx\displaystyle \int_0^a(x^2-x^3)\,dx\le T(a)\le\int_0^{a+a^2}(x^2-x^3)\,dxComment. 이 부등식은 a\displaystyle a가 충분히 작을 때 적용한다. a→0+\displaystyle a\to0^+인 극한을 구하는 데에는 영향이 없다.즉, 아래 부등식이 성립한다.13a3−14a4≤T(a)≤13a3+34a4−76a6−a7−14a8\displaystyle \frac13a^3-\frac14a^4\le T(a)\le\frac13a^3+\frac34a^4-\frac76a^6-a^7-\frac14a^8

+3점

양변을 a3\displaystyle a^3으로 나누고 함수의 극한의 대소관계를 이용하면, 다음이 성립한다.lim⁡a→0+T(a)a3=13\displaystyle \lim_{a\to0^+}\frac{T(a)}{a^3}=\frac13

+3점

3이 아닌 자연수 m\displaystyle m에 대해서는 극한값이 존재하지 않거나 0이 된다. 따라서 m=3\displaystyle m=3이고 극한값은 13\displaystyle \frac13이다.

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