[문제 2-1]
+5점 · 영역을 정적분으로 표현한 후 정적분 값 − ln ( tan ( π 4 − θ 2 ) ) \displaystyle -\ln\left(\tan\left(\frac\pi4-\frac\theta2\right)\right) − ln ( tan ( 4 π − 2 θ ) ) 를 얻으면 직선 l 1 \displaystyle l_1 l 1 과 x \displaystyle x x 축이 이루는 각을 α \displaystyle \alpha α 라고 하자. (이때, α = π 4 − θ 2 \displaystyle \alpha=\frac\pi4-\frac\theta2 α = 4 π − 2 θ 이다.) y = ( tan α ) x \displaystyle y=(\tan\alpha)x y = ( tan α ) x 와 곡선 y = 1 x \displaystyle y=\frac1x y = x 1 이 만나는 점 ( 1 tan α , tan α ) \displaystyle \left(\frac1{\sqrt{\tan\alpha}},\sqrt{\tan\alpha}\right) ( tan α 1 , tan α ) 을 구한 후, 그림을 그려 y = x \displaystyle y=x y = x 아래의 넓이
1 2 + ∫ 1 1 / tan α 1 x d x − 1 2 1 tan α tan α = − 1 2 ln ( tan α ) \displaystyle \frac12+\int_1^{1/\sqrt{\tan\alpha}}\frac1x\,dx-\frac12\frac1{\sqrt{\tan\alpha}}\sqrt{\tan\alpha}=-\frac12\ln(\tan\alpha) 2 1 + ∫ 1 1/ t a n α x 1 d x − 2 1 tan α 1 tan α = − 2 1 ln ( tan α )
를 구한다. 따라서 영역의 전체 넓이는
f ( θ ) = − ln ( tan α ) = − ln ( tan ( π 4 − θ 2 ) ) \displaystyle f(\theta)=-\ln(\tan\alpha)=-\ln\left(\tan\left(\frac\pi4-\frac\theta2\right)\right) f ( θ ) = − ln ( tan α ) = − ln ( tan ( 4 π − 2 θ ) )
+5점 · 합성함수의 미분법을 활용하여 θ = π 3 \displaystyle \theta=\frac\pi3 θ = 3 π 를 얻으면 이다. 합성함수의 미분법을 이용하여 f \displaystyle f f 의 도함수
f ′ ( θ ) = − 1 tan ( π 4 − θ 2 ) sec 2 ( π 4 − θ 2 ) ( − 1 2 ) = 1 2 sin ( π 4 − θ 2 ) cos ( π 4 − θ 2 ) = 1 sin ( π 2 − θ ) = 1 cos θ \displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(\theta)&=-\frac1{\tan\left(\frac\pi4-\frac\theta2\right)}\sec^2\left(\frac\pi4-\frac\theta2\right)\left(-\frac12\right)\\&=\frac1{2\sin\left(\frac\pi4-\frac\theta2\right)\cos\left(\frac\pi4-\frac\theta2\right)}=\frac1{\sin\left(\frac\pi2-\theta\right)}=\frac1{\cos\theta}\end{aligned} f ′ ( θ ) = − tan ( 4 π − 2 θ ) 1 sec 2 ( 4 π − 2 θ ) ( − 2 1 ) = 2 sin ( 4 π − 2 θ ) cos ( 4 π − 2 θ ) 1 = sin ( 2 π − θ ) 1 = cos θ 1
계산하여 정답 θ = π 3 \displaystyle \theta=\frac\pi3 θ = 3 π 를 얻는다.
[문제 2-2]
+3점 · t = x + 1 − 1 \displaystyle t=\sqrt{x+1}-1 t = x + 1 − 1 로 치환하면 t = x + 1 − 1 \displaystyle t=\sqrt{x+1}-1 t = x + 1 − 1 로 치환하자. 이 때 주어진 함수의 항 중 x + 1 + 1 \displaystyle \sqrt{x+1}+1 x + 1 + 1 는 유리화하여
x + 1 + 1 = x x + 1 − 1 = x t \displaystyle \sqrt{x+1}+1=\frac{x}{\sqrt{x+1}-1}=\frac xt x + 1 + 1 = x + 1 − 1 x = t x
+3점 · 함수를 정리하여 g ( t ) = t + 2 cos t \displaystyle g(t)=t+2\cos t g ( t ) = t + 2 cos t 에 대한 최솟값 문제로 변환하면 를 대입한다. 그 결과는
f ( x ) = x + 1 + 1 x + 2 ( x + 1 + 1 ) cos ( x + 1 − 1 ) = 1 t + 2 cos t \displaystyle f(x)=\frac{\sqrt{x+1}+1}{x+2(\sqrt{x+1}+1)\cos(\sqrt{x+1}-1)}=\frac1{t+2\cos t} f ( x ) = x + 2 ( x + 1 + 1 ) cos ( x + 1 − 1 ) x + 1 + 1 = t + 2 cos t 1
이다. 따라서 g ( t ) = t + 2 cos t \displaystyle g(t)=t+2\cos t g ( t ) = t + 2 cos t (단, 0 ≤ t ≤ π \displaystyle 0\le t\le\pi 0 ≤ t ≤ π )가 최솟값을 갖는 t \displaystyle t t 를 찾으면 된다.
+6점 · g ( x ) \displaystyle g(x) g ( x ) 의 도함수를 구해 극소를 찾으면 함수 g ( t ) \displaystyle g(t) g ( t ) 를 미분을 하여 도함수 g ′ ( t ) = 1 − 2 sin t \displaystyle g^{\prime}(t)=1-2\sin t g ′ ( t ) = 1 − 2 sin t 를 구하고 주어진 구간 내에서 도함수가 0이 되는 t = π 6 , 5 π 6 \displaystyle t=\frac\pi6,\frac{5\pi}6 t = 6 π , 6 5 π 를 찾는다. 그리고 사인함수의 개형을 이용하여 함수 g ( t ) \displaystyle g(t) g ( t ) 가 구간 ( 0 , π 6 ) \displaystyle \left(0,\frac\pi6\right) ( 0 , 6 π ) 에서 증가, 구간 ( π 6 , 5 π 6 ) \displaystyle \left(\frac\pi6,\frac{5\pi}6\right) ( 6 π , 6 5 π ) 에서 감소, 구간 ( 5 π 6 , π ) \displaystyle \left(\frac{5\pi}6,\pi\right) ( 6 5 π , π ) 에서 증가한다는 사실을 확인한다. 따라서 g ( t ) \displaystyle g(t) g ( t ) 의 최댓값을 찾기 위해서는 주어진 구간의 왼쪽 경계 t = 0 \displaystyle t=0 t = 0 에서의 값과 t = 5 π 6 \displaystyle t=\frac{5\pi}6 t = 6 5 π 에서의 값만 조사하면 된다.
+3점 · 정답 x = ( 5 π 6 + 1 ) 2 − 1 \displaystyle x=\left(\frac{5\pi}6+1\right)^2-1 x = ( 6 5 π + 1 ) 2 − 1 을 얻으면 실제 g ( 0 ) = 1 \displaystyle g(0)=1 g ( 0 ) = 1 이고 g ( 5 π 6 ) = 5 π 6 − 3 2 \displaystyle g\left(\frac{5\pi}6\right)=\frac{5\pi}6-\frac{\sqrt3}2 g ( 6 5 π ) = 6 5 π − 2 3 인데 이 두 값을 비교하여 g ( t ) \displaystyle g(t) g ( t ) 의 최솟값은 t = 5 π 6 \displaystyle t=\frac{5\pi}6 t = 6 5 π 일 때 얻을 수 있음을 확인한다. (여기서 5 π 12 − 3 2 \displaystyle \frac{5\pi}{12}-\frac{\sqrt3}2 12 5 π − 2 3 이 1보다 작다는 것을 파악하기 위해서 가장 간단하게는 π ≤ 3.5 \displaystyle \pi\le3.5 π ≤ 3.5 , 3 ≥ 1.5 \displaystyle \sqrt3\ge1.5 3 ≥ 1.5 인 것만 이용해도 충분히 확인할 수 있다.) 따라서 정답은 x = ( t + 1 ) 2 − 1 = ( 5 π 6 + 1 ) 2 − 1 \displaystyle x=(t+1)^2-1=\left(\frac{5\pi}6+1\right)^2-1 x = ( t + 1 ) 2 − 1 = ( 6 5 π + 1 ) 2 − 1 이다. Correction. [2-2] 대학 답안에서 g ( t ) \displaystyle g(t) g ( t ) 의 최댓값은 최솟값의 오기이다. 정의 g ( t ) = t + 2 cos t \displaystyle g(t)=t+2\cos t g ( t ) = t + 2 cos t 에 따르면 g ( 0 ) = 2 \displaystyle g(0)=2 g ( 0 ) = 2 , g ( 5 π / 6 ) = 5 π / 6 − 3 \displaystyle g(5\pi/6)=5\pi/6-\sqrt3 g ( 5 π /6 ) = 5 π /6 − 3 이며, 원문은 일부 계산에서 g ( t ) / 2 \displaystyle g(t)/2 g ( t ) /2 의 값을 섞어 적었다. 최솟값을 갖는 t와 최종 답은 같다.