(가)두 곡선 y=x3, y=x2을 생각하자. 【그림1】과 같이 직선 y=ax가 제1사분면에서 곡선 y=x2과 만나는 점을 P라 하고, 점 P에서 x축에 내린 수선의 발을 N이라 하자. (단, 0<a<1)
【그림1】의 색칠된 부분과 같이 두 곡선 y=x3, y=x2과 직선 y=ax로 둘러싸인 도형을 A라 하자. A의 넓이를 S(a), 직선 PN에 의해 나뉘는 A의 오른쪽 부분의 넓이를 S1(a)라 한다.
(나)원점을 중심으로 하고 점 P를 지나는 원을 C라 하자. 점 P에서 원 C에 그은 접선을 ℓ1이라 하고 점 P에서 곡선 y=x2에 그은 접선을 ℓ2라 하자. 도형 A 중 원 C의 내부에 해당하는 부분의 넓이를 T(a)라 한다.
[문제 1-1] (20점)(가)에 대한 물음에 답하라.(1)(10점) 다음 극한을 조사하라.a→0+limS1(a)S(a)(2)(10점) S(a)=241일 때, a의 값을 구하라.
[문제 1-2] (30점)(가)와 (나)에 대한 물음에 답하라.(1)(10점) 두 직선 ℓ1과 ℓ2가 이루는 예각의 크기를 최소로 하는 a의 값을 구하라.(2)(8점) 점 (a+a2,(a+a2)3)은 원 C의 외부에 있음을 증명하라.(3)(12점) 극한 a→0+limamT(a)의 값이 0이 아닌 실수가 되도록 하는 자연수 m은 유일하다. 자연수 m과 극한값을 구하라.
해설강의 준비중
아주대 2025학년도 모의 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/ajou/2025mo/jayeon_1
+5점
[문제 1-1](1) 영역 A는 직선 PN에 의해 두 부분으로 나뉘고, 각 영역의 넓이를 정적분으로 나타내어 보면,∫0a(x2−x3)dx=3a3−4a4,∫aa(ax−x3)dx=2a(a−a2)−4a2+4a4=4a2−2a3+4a4이다. 이로부터 S(a)=∫0a(x2−x3)dx+∫aa(ax−x3)dx=4a2−6a3이고,
+2점
S1(a)=∫aa(ax−x3)dx=4a2−2a3+4a4이다.
+3점
따라서, a→0+limS1(a)S(a)=a→0+lim4a2−2a3+4a44a2−6a3=a→0+lim41−2a+4a241−6a=1이다.
+5점
(2) 풀이 (1)에서 구한 도형 A의 넓이는 S(a)=∫0a(x2−x3)dx+∫aa(ax−x3)dx=4a2−6a3이다.그러므로 S(a)=4a2−6a3=241을 풀면
+5점
a=21이다.
+4점
[문제 1-2](1) ℓ1의 방정식은 ax+a2y=a2+a4이며 그 기울기는 −a1이고 ℓ2의 방정식은 y−a2=2a(x−a)이며 그 기울기는 2a이다.
+4점
직선 ℓ1, ℓ2가 x축의 양의 방향과 이루는 각을 각각 α, β라 하면 두 직선이 이루는 각은 (α−β)이고 삼각함수의 덧셈정리와 산술평균과 기하평균의 대소 관계에 의하여 다음이 성립한다.tan(α−β)=1+(−a1)⋅2a−a1−2a=a1+2a≥22
+2점
등호는 a1=2a일 때, 즉 a=21일 때 성립하므로, 두 접선은 a=21일 때 각의 크기가 최소이다.
(3) 풀이 (2)에 의하여 다음 부등식이 성립한다.∫0a(x2−x3)dx≤T(a)≤∫0a+a2(x2−x3)dxComment. 이 부등식은 a가 충분히 작을 때 적용한다. a→0+인 극한을 구하는 데에는 영향이 없다.즉, 아래 부등식이 성립한다.31a3−41a4≤T(a)≤31a3+43a4−67a6−a7−41a8
+3점
양변을 a3으로 나누고 함수의 극한의 대소관계를 이용하면, 다음이 성립한다.a→0+lima3T(a)=31
+3점
3이 아닌 자연수 m에 대해서는 극한값이 존재하지 않거나 0이 된다. 따라서 m=3이고 극한값은 31이다.