동국대 2022학년도 수시 자연계열 3번 · mathesis.kr/archive/dongguk/2022su/jayeon_3
문제
※ 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.
[가] 수직선 위를 움직이는 점 P의 시각 에서의 위치 가 일 때 점 P의 시각 에서의 속도 는-『고등학교 수학II』
[나] 수직선 위를 움직이는 점 P의 시각 에서의 속도가 라고 할 때 시각 에서 까지 점 P의 위치의 변화량은-『고등학교 수학II』
[다] 닫힌구간 의 임의의 점 에서 축에 수직인 평면으로 자른 단면의 넓이가 인 입체도형의 부피 는이다. 단, 는 닫힌구간 에서 연속인 함수이다.-『고등학교 미적분』
[라] 함수 가 임의의 세 실수 를 포함하는 닫힌구간에서 연속일 때-『고등학교 수학II』
[마] 함수 가 닫힌구간 에서 연속일 때이다. 단, 이다.-『고등학교 수학II』
[바] 두 함수 가 미분가능할 때 합성함수 의 도함수는-『고등학교 미적분』
[문제3] 밑면의 넓이가 인 원기둥 모양의 물통에 일정량의 물이 채워져 있다. 그리고 이 물통에 속이 꽉 들어찬 입체도형이 아래 그림과 같이 의 일정한 속력으로 하강하고 있다. 수면을 확장한 평면으로 입체도형을 자른 단면의 넓이가 인 순간, 수면의 상승 속도를 구하시오.

(단, 입체도형이 완전히 잠길 만큼 물통에 물이 많으며 또한 입체도형이 완전히 잠겨도 물이 넘치지 않을 만큼 물통이 충분히 크고, 입체도형은 회전하지 않으며 수직으로 하강한다. 그리고 입체도형의 최하단에서 거리가 인 수면에 평행한 평면으로 자른 입체도형의 단면의 넓이 는 에 대해 연속이다.)
<27줄 이내> [40점]
동국대 2022학년도 수시 자연계열 3번 · mathesis.kr/archive/dongguk/2022su/jayeon_3
[첫 번째 풀이]입체도형이 물통의 수면에 입수하기 직전의 시각을 이라 하고 그때 수면의 높이를 라 하자. 또한, 왼쪽 그림과 같이 시간 에 대해 입체도형이 일부분 잠겨 물이 올라간 수면의 높이를 , 입체도형의 최하단에 있는 점 P에서 수면에 수직으로 올린 수선의 발 R까지의 높이를 , 수면을 확장한 평면 N으로 자른 입체도형의 단면의 넓이를 , 마지막으로 물통의 밑바닥으로부터 높이가 인 평면 M에 점 P로부터 수직으로 올린 수선의 발을 Q라 하자.

그러면 입체도형이 일정한 속력 로 하강하기 때문에 시간 동안 입체도형이 하강한 길이, 즉 선분 의 길이는 가 된다. 또한 선분 의 길이는 의 길이와 의 길이의 합이므로 를 얻는다. 마지막으로, 평면 M 아래에 있는 입체도형의 부피는 두 평면 M과 N 사이에 있는 물의 부피와 같아야 하므로 이를 수식으로 표현하면와 같다. 이제 적분 구간을 모두 0에서 시작하는 형태로 바꾸어 정리하면를 얻는다.이때 가 미분가능(아래의 「채점시 평가제외 사항」 참조)하므로 이 식의 양변을 에 대해 미분하면이고, 로부터 를 구하면이다.
Correction. 채점기준 3단계의 ‘수면의 넓이’는 ‘입체도형의 단면의 넓이’의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
마지막으로, 문제에서 구하려는 순간의 시각을 이라 하면 이므로 그 순간 수면의 상승속도는가 된다.
「채점시 평가제외 사항」입체도형이 물통 속에 완전히 잠기는 순간의 시각을 라 하면, 는 열린구간 에서 미분가능한 함수임을 다음처럼 보일 수 있다. 먼저로부터 가 연속임을 보일 수 있다. 물통이 충분히 크므로 모든 에 대해 를 만족하는 양수 이 존재한다. 따라서,이 되어 , 즉 연속이 된다. 또한 충분히 작은 임의의 양수 에 대해이므로 , 즉 증가함수이다. 이제 미분가능함을 보이기 위해로 두면 는 미분가능하고 이다. 이제 가 증가함수이므로이고, 는 미분가능하며 가 연속이기 때문에이다. 따라서는 존재하고 그 극한값은 가 된다.
| 배점 | 채점 기준 | |
|---|---|---|
| 상 | S | [1단계]부터 [3단계]까지 보이고 논증이 매끄러운 경우 |
| 상 | A | [1단계]부터 [3단계]까지 보였으나 논증이 매끄럽지 않은 경우 |
| 중 | B | [1단계]부터 [2단계]까지 보이고 논증이 매끄러운 경우 |
| 중 | C | [1단계]부터 [2단계]까지 보였으나 논증이 매끄럽지 않은 경우 |
| 중 | D | [1단계]를 작성하고 [2단계]의 수식 유도를 시도하였으나 제대로 끝마치지 못한 경우 |
| 하 | E | [1단계]만 작성한 경우 |
| 하 | F | 어느 단계도 맞게 진술하지 못한 경우, 백지인 경우 |
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