수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3-2번

문제

[문제 3] 다음 제시문 (가) - (라)를 읽고 문제에 답하시오.

(가) 점 (x1,y1)\displaystyle (x_1,y_1)과 직선 ax+by+c=0\displaystyle ax+by+c=0 사이의 거리는 ∣ax1+by1+c∣a2+b2\displaystyle \frac{|ax_1+by_1+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}이다.

(나) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 어떤 열린구간에서 미분가능하고, 이 구간에 속하는 모든 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이면 f(x)\displaystyle f(x)는 이 구간에서 증가하고 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이면 감소한다.

(다) 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 x=p\displaystyle x=p에서 미분가능하고 x=p\displaystyle x=p에서 극값을 가지면 g′(p)=0\displaystyle g^{\prime}(p)=0이다.

(라) 두 함수 u(x)\displaystyle u(x), v(x)\displaystyle v(x)에 대하여 lim⁡x→∞u(x)=α\displaystyle \lim_{x\to\infty}u(x)=\alpha, lim⁡x→∞v(x)=β\displaystyle \lim_{x\to\infty}v(x)=\beta (α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta는 실수)일 때, 다음의 식이 성립한다.

• lim⁡x→∞{u(x)±v(x)}=α±β\displaystyle \lim_{x\to\infty}\{u(x)\pm v(x)\}=\alpha\pm\beta

• lim⁡x→∞ku(x)=kα\displaystyle \lim_{x\to\infty}ku(x)=k\alpha (단, k\displaystyle k는 상수)

• lim⁡x→∞u(x)v(x)=αβ\displaystyle \lim_{x\to\infty}u(x)v(x)=\alpha\beta

• lim⁡x→∞u(x)v(x)=αβ\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{u(x)}{v(x)}=\frac\alpha\beta (단, β≠0\displaystyle \beta\ne0)

[문제 3-2] 원 x2+(y−t)2=2\displaystyle x^2+(y-t)^2=2 (t≥2)\displaystyle (t\ge\sqrt2)는 그림과 같이 ∣x∣a+yb=1\displaystyle \frac{|x|}a+\frac yb=1 (a>0,b>t+2)\displaystyle (a>0,b>t+\sqrt2)의 그래프와 두 점에서 접한다. a\displaystyle a를 b\displaystyle b와 t\displaystyle t로 표현하시오. 이를 이용하여 ∣x∣a+yb=1\displaystyle \frac{|x|}a+\frac yb=1의 그래프와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 삼각형의 넓이가 최소가 되도록 하는 b\displaystyle b에 의해 결정되는 삼각형의 넓이를 A(t)\displaystyle A(t)라 할 때, 극한 lim⁡t→∞A(t)t\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{A(t)}t의 값을 구하시오. [15점]

이등변삼각형의 두 사선에 접하는 원
해설강의 준비중

[문제 3-2]

+5점 · 관계식 a=2b(b−t)2−2\displaystyle a=\frac{\sqrt2b}{\sqrt{(b-t)^2-2}}를 찾으면

x2+(y−t)2=2\displaystyle x^2+(y-t)^2=2이 직선 xa+yb−1=0\displaystyle \frac xa+\frac yb-1=0에 접하므로 2=∣tb−1∣1a2+1b2\displaystyle \sqrt2=\frac{\left|\frac tb-1\right|}{\sqrt{\frac1{a^2}+\frac1{b^2}}}에서 a=2b(b−t)2−2\displaystyle a=\frac{\sqrt2b}{\sqrt{(b-t)^2-2}}를 얻는다.

+5점 · b(t)=3t+t2+162\displaystyle b(t)=\frac{3t+\sqrt{t^2+16}}2를 찾으면

삼각형의 넓이는 ab=2b2(b−t)2−2\displaystyle ab=\frac{\sqrt2b^2}{\sqrt{(b-t)^2-2}}으로 b\displaystyle b에 대한 함수 f(b)\displaystyle f(b)로 표현할 수 있다. f′(b)=2b(b2−3tb+2t2−4)((b−t)2−2)3\displaystyle f^{\prime}(b)=\frac{\sqrt2b(b^2-3tb+2t^2-4)}{\sqrt{((b-t)^2-2)^3}}이고 b>t+2>0\displaystyle b>t+\sqrt2>0이므로 f′(b)=0\displaystyle f^{\prime}(b)=0을 풀면 b=3t+t2+162\displaystyle b=\frac{3t+\sqrt{t^2+16}}2이다. 삼각형의 넓이를 최소로 하는 a,b\displaystyle a,b의 값을 각각 a(t)\displaystyle a(t), b(t)\displaystyle b(t)라 하면, A(t)=a(t)b(t)\displaystyle A(t)=a(t)b(t)이고,

+5점 · lim⁡t→∞A(t)t=42\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{A(t)}t=4\sqrt2를 찾으면

f(b)\displaystyle f(b)의 증가와 감소를 조사하여 b(t)=3t+t2+162\displaystyle b(t)=\frac{3t+\sqrt{t^2+16}}2임을 알 수 있다. lim⁡t→∞b(t)t=3t+t2+162t=2\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{b(t)}t=\frac{3t+\sqrt{t^2+16}}{2t}=2이므로

lim⁡t→∞a(t)=lim⁡t→∞2b(t)(b(t)−t)2−2=lim⁡t→∞2b(t)t(b(t)t−1)2−2t2=22\displaystyle \lim_{t\to\infty}a(t)=\lim_{t\to\infty}\frac{\sqrt2b(t)}{\sqrt{(b(t)-t)^2-2}}=\lim_{t\to\infty}\frac{\sqrt2\frac{b(t)}t}{\sqrt{\left(\frac{b(t)}t-1\right)^2-\frac2{t^2}}}=2\sqrt2

이어서 lim⁡t→∞A(t)t=lim⁡t→∞(a(t)⋅b(t)t)=42\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{A(t)}t=\lim_{t\to\infty}\left(a(t)\cdot\frac{b(t)}t\right)=4\sqrt2이다.

※ 논리 전개 과정이 맞으면 답이 틀리더라도 1~2점의 부분 점수를 부여할 수 있습니다.

※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 -0.5~+0.5점을 부여할 수 있습니다.

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