수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 2번

문제

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[문제 2-1]

+5점 · 영역을 정적분으로 표현한 후 정적분 값 ln(tan(π4θ2))\displaystyle -\ln\left(\tan\left(\frac\pi4-\frac\theta2\right)\right)를 얻으면

직선 l1\displaystyle l_1x\displaystyle x축이 이루는 각을 α\displaystyle \alpha라고 하자. (이때, α=π4θ2\displaystyle \alpha=\frac\pi4-\frac\theta2이다.) y=(tanα)x\displaystyle y=(\tan\alpha)x와 곡선 y=1x\displaystyle y=\frac1x이 만나는 점 (1tanα,tanα)\displaystyle \left(\frac1{\sqrt{\tan\alpha}},\sqrt{\tan\alpha}\right)을 구한 후, 그림을 그려 y=x\displaystyle y=x 아래의 넓이

12+11/tanα1xdx121tanαtanα=12ln(tanα)\displaystyle \frac12+\int_1^{1/\sqrt{\tan\alpha}}\frac1x\,dx-\frac12\frac1{\sqrt{\tan\alpha}}\sqrt{\tan\alpha}=-\frac12\ln(\tan\alpha)

를 구한다. 따라서 영역의 전체 넓이는

f(θ)=ln(tanα)=ln(tan(π4θ2))\displaystyle f(\theta)=-\ln(\tan\alpha)=-\ln\left(\tan\left(\frac\pi4-\frac\theta2\right)\right)

+5점 · 합성함수의 미분법을 활용하여 θ=π3\displaystyle \theta=\frac\pi3를 얻으면

이다. 합성함수의 미분법을 이용하여 f\displaystyle f의 도함수

f(θ)=1tan(π4θ2)sec2(π4θ2)(12)=12sin(π4θ2)cos(π4θ2)=1sin(π2θ)=1cosθ\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}

계산하여 정답 θ=π3\displaystyle \theta=\frac\pi3를 얻는다.

[문제 2-2]

+3점 · t=x+11\displaystyle t=\sqrt{x+1}-1로 치환하면

t=x+11\displaystyle t=\sqrt{x+1}-1로 치환하자. 이 때 주어진 함수의 항 중 x+1+1\displaystyle \sqrt{x+1}+1는 유리화하여

x+1+1=xx+11=xt\displaystyle \sqrt{x+1}+1=\frac{x}{\sqrt{x+1}-1}=\frac xt

+3점 · 함수를 정리하여 g(t)=t+2cost\displaystyle g(t)=t+2\cos t에 대한 최솟값 문제로 변환하면

를 대입한다. 그 결과는

f(x)=x+1+1x+2(x+1+1)cos(x+11)=1t+2cost\displaystyle f(x)=\frac{\sqrt{x+1}+1}{x+2(\sqrt{x+1}+1)\cos(\sqrt{x+1}-1)}=\frac1{t+2\cos t}

이다. 따라서 g(t)=t+2cost\displaystyle g(t)=t+2\cos t(단, 0tπ\displaystyle 0\le t\le\pi)가 최솟값을 갖는 t\displaystyle t를 찾으면 된다.

+6점 · g(x)\displaystyle g(x)의 도함수를 구해 극소를 찾으면

함수 g(t)\displaystyle g(t)를 미분을 하여 도함수 g(t)=12sint\displaystyle g^{\prime}(t)=1-2\sin t를 구하고 주어진 구간 내에서 도함수가 0이 되는 t=π6,5π6\displaystyle t=\frac\pi6,\frac{5\pi}6를 찾는다. 그리고 사인함수의 개형을 이용하여 함수 g(t)\displaystyle g(t)가 구간 (0,π6)\displaystyle \left(0,\frac\pi6\right)에서 증가, 구간 (π6,5π6)\displaystyle \left(\frac\pi6,\frac{5\pi}6\right)에서 감소, 구간 (5π6,π)\displaystyle \left(\frac{5\pi}6,\pi\right)에서 증가한다는 사실을 확인한다. 따라서 g(t)\displaystyle g(t)의 최댓값을 찾기 위해서는 주어진 구간의 왼쪽 경계 t=0\displaystyle t=0에서의 값과 t=5π6\displaystyle t=\frac{5\pi}6에서의 값만 조사하면 된다.

+3점 · 정답 x=(5π6+1)21\displaystyle x=\left(\frac{5\pi}6+1\right)^2-1을 얻으면

실제 g(0)=1\displaystyle g(0)=1이고 g(5π6)=5π632\displaystyle g\left(\frac{5\pi}6\right)=\frac{5\pi}6-\frac{\sqrt3}2인데 이 두 값을 비교하여 g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값은 t=5π6\displaystyle t=\frac{5\pi}6일 때 얻을 수 있음을 확인한다. (여기서 5π1232\displaystyle \frac{5\pi}{12}-\frac{\sqrt3}2이 1보다 작다는 것을 파악하기 위해서 가장 간단하게는 π3.5\displaystyle \pi\le3.5, 31.5\displaystyle \sqrt3\ge1.5인 것만 이용해도 충분히 확인할 수 있다.) 따라서 정답은 x=(t+1)21=(5π6+1)21\displaystyle x=(t+1)^2-1=\left(\frac{5\pi}6+1\right)^2-1이다.Correction. [2-2] 대학 답안에서 g(t)\displaystyle g(t)의 최댓값은 최솟값의 오기이다. 정의 g(t)=t+2cost\displaystyle g(t)=t+2\cos t에 따르면 g(0)=2\displaystyle g(0)=2, g(5π/6)=5π/63\displaystyle g(5\pi/6)=5\pi/6-\sqrt3이며, 원문은 일부 계산에서 g(t)/2\displaystyle g(t)/2의 값을 섞어 적었다. 최솟값을 갖는 t와 최종 답은 같다.

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