수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

오류 제보

문제

※ 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

[가] 수직선 위를 움직이는 점 P의 시각 t\displaystyle t에서의 위치 x\displaystyle x가 x=f(t)\displaystyle x=f(t)일 때 점 P의 시각 t\displaystyle t에서의 속도 v(t)\displaystyle v(t)는v(t)=dxdt=f′(t)\displaystyle v(t)=\frac{dx}{dt}=f^{\prime}(t)-『고등학교 수학II』

[나] 수직선 위를 움직이는 점 P의 시각 t\displaystyle t에서의 속도가 v(t)\displaystyle v(t)라고 할 때 시각 t=a\displaystyle t=a에서 t=b\displaystyle t=b까지 점 P의 위치의 변화량은∫abv(t)dt\displaystyle \int_a^bv(t)dt-『고등학교 수학II』

[다] 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]의 임의의 점 x\displaystyle x에서 x\displaystyle x축에 수직인 평면으로 자른 단면의 넓이가 S(x)\displaystyle S(x)인 입체도형의 부피 V\displaystyle V는V=∫abS(x)dx\displaystyle V=\int_a^bS(x)dx이다. 단, S(x)\displaystyle S(x)는 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속인 함수이다.-『고등학교 미적분』

[라] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 임의의 세 실수 a,b,c\displaystyle a,b,c를 포함하는 닫힌구간에서 연속일 때∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx=∫abf(x)dx\displaystyle \int_a^cf(x)dx+\int_c^bf(x)dx=\int_a^bf(x)dx-『고등학교 수학II』

[마] 함수 f(t)\displaystyle f(t)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때ddx∫axf(t)dt=f(x)\displaystyle \frac d{dx}\int_a^xf(t)dt=f(x)이다. 단, a<x<b\displaystyle a<x<b이다.-『고등학교 수학II』

[바] 두 함수 y=f(u),u=g(x)\displaystyle y=f(u),u=g(x)가 미분가능할 때 합성함수 y=f(g(x))\displaystyle y=f(g(x))의 도함수는dydx=dydu×dudx,y′=f′(g(x))g′(x)\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\times\frac{du}{dx},\quad y^{\prime}=f^{\prime}(g(x))g^{\prime}(x)-『고등학교 미적분』

[문제3] 밑면의 넓이가 A (m2)\displaystyle A\ (\mathrm m^2)인 원기둥 모양의 물통에 일정량의 물이 채워져 있다. 그리고 이 물통에 속이 꽉 들어찬 입체도형이 아래 그림과 같이 v (m/s)\displaystyle v\ (\mathrm m/\mathrm s)의 일정한 속력으로 하강하고 있다. 수면을 확장한 평면으로 입체도형을 자른 단면의 넓이가 S (m2)\displaystyle S\ (\mathrm m^2)인 순간, 수면의 상승 속도를 구하시오.

넓이 A인 물통에 속력 v로 하강하는 입체도형과 단면 S(z)

(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 z (m)\displaystyle z\ (\mathrm m)인 수면에 평행한 평면으로 자른 입체도형의 단면의 넓이 S(z) (m2)\displaystyle S(z)\ (\mathrm m^2)는 z\displaystyle z에 대해 연속이다.)

<27줄 이내> [40점]

해설강의 준비중
1단계 · 출제 의도에 가장 잘 들어맞는 답안의 풀이 순서는 다음과 같다. 문제를 해결하기 위해 필요한 상황, 즉 수면의 높이, 입체도형이 물에 잠긴 깊이, 입체도형의 단면의 넓이 등을 변수나 함수로 지정함.

[첫 번째 풀이]입체도형이 물통의 수면에 입수하기 직전의 시각을 t=0\displaystyle t=0이라 하고 그때 수면의 높이를 h0\displaystyle h_0라 하자. 또한, 왼쪽 그림과 같이 시간 t≥0\displaystyle t\ge0에 대해 입체도형이 일부분 잠겨 물이 올라간 수면의 높이를 h(t)\displaystyle h(t), 입체도형의 최하단에 있는 점 P에서 수면에 수직으로 올린 수선의 발 R까지의 높이를 z(t)\displaystyle z(t), 수면을 확장한 평면 N으로 자른 입체도형의 단면의 넓이를 S(z(t))\displaystyle S(z(t)), 마지막으로 물통의 밑바닥으로부터 높이가 h0\displaystyle h_0인 평면 M에 점 P로부터 수직으로 올린 수선의 발을 Q라 하자.

입수 전후 수면 M과 N, 높이 h(t), h0, 잠긴 깊이 z(t)
2단계 · 물에 잠겨서 상승하게 되는 물의 부피가 입체도형의 특정한 일부분의 부피와 같다는 것을 수식으로 작성함. 예를 들어,[첫 번째 풀이]에서∫0vtS(x)dx=∫vtz(t)(A−S(x))dx\displaystyle \int_0^{vt}S(x)dx=\int_{vt}^{z(t)}(A-S(x))dx[두 번째 풀이]에서(A−S)Δh=SvΔt\displaystyle (A-S)\Delta h=Sv\Delta t까지 작성함.

그러면 입체도형이 일정한 속력 v\displaystyle v로 하강하기 때문에 시간 t\displaystyle t 동안 입체도형이 하강한 길이, 즉 선분 PQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}의 길이는 vt\displaystyle vt가 된다. 또한 선분 PR‾\displaystyle \overline{\mathrm{PR}}의 길이는 PQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}의 길이와 QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}}의 길이의 합이므로 z(t)=vt+h(t)−h0\displaystyle z(t)=vt+h(t)-h_0를 얻는다. 마지막으로, 평면 M 아래에 있는 입체도형의 부피는 두 평면 M과 N 사이에 있는 물의 부피와 같아야 하므로 이를 수식으로 표현하면∫0vtS(x)dx=∫vtz(t)(A−S(x))dx\displaystyle \int_0^{vt}S(x)dx=\int_{vt}^{z(t)}(A-S(x))dx와 같다. 이제 적분 구간을 모두 0에서 시작하는 형태로 바꾸어 정리하면∫0z(t)(A−S(x))dx=Avt\displaystyle \int_0^{z(t)}(A-S(x))dx=Avt를 얻는다.이때 z(t)\displaystyle z(t)가 미분가능(아래의 「채점시 평가제외 사항」 참조)하므로 이 식의 양변을 t\displaystyle t에 대해 미분하면(A−S(z(t)))z′(t)=Av⇒z′(t)=AvA−S(z(t))\displaystyle (A-S(z(t)))z^{\prime}(t)=Av\quad\Rightarrow\quad z^{\prime}(t)=\frac{Av}{A-S(z(t))}이고, z(t)=vt+h(t)−h0\displaystyle z(t)=vt+h(t)-h_0로부터 h′(t)\displaystyle h^{\prime}(t)를 구하면h′(t)=z′(t)−v=S(z(t))vA−S(z(t))\displaystyle h^{\prime}(t)=z^{\prime}(t)-v=\frac{S(z(t))v}{A-S(z(t))}이다.

3단계 · 수면의 상승 속도에 관한 함수에 수면의 넓이가 S\displaystyle S인 순간을 대입하여 문제를 해결함.

Correction. 채점기준 3단계의 ‘수면의 넓이’는 ‘입체도형의 단면의 넓이’의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

마지막으로, 문제에서 구하려는 순간의 시각을 t1\displaystyle t_1이라 하면 S(z(t1))=S\displaystyle S(z(t_1))=S이므로 그 순간 수면의 상승속도는h′(t1)=SvA−S(m/s)\displaystyle h^{\prime}(t_1)=\frac{Sv}{A-S}\quad(\mathrm m/\mathrm s)가 된다.

「채점시 평가제외 사항」입체도형이 물통 속에 완전히 잠기는 순간의 시각을 t=a\displaystyle t=a라 하면, z(t)\displaystyle z(t)는 열린구간 (0,a)\displaystyle (0,a)에서 미분가능한 함수임을 다음처럼 보일 수 있다. 먼저∫0z(t)(A−S(x))dx=Avt\displaystyle \int_0^{z(t)}(A-S(x))dx=Avt로부터 z(t)\displaystyle z(t)가 연속임을 보일 수 있다. 물통이 충분히 크므로 모든 x\displaystyle x에 대해 0<m≤A−S(x)\displaystyle 0<m\le A-S(x)를 만족하는 양수 m\displaystyle m이 존재한다. 따라서,∣AvΔt∣=∣∫z(t)z(t+Δt)(A−S(x))dx∣≥m∣z(t+Δt)−z(t)∣\displaystyle |Av\Delta t|=\left|\int_{z(t)}^{z(t+\Delta t)}(A-S(x))dx\right|\ge m|z(t+\Delta t)-z(t)|이 되어 lim⁡Δt→0(z(t+Δt)−z(t))=0\displaystyle \lim_{\Delta t\to0}(z(t+\Delta t)-z(t))=0, 즉 연속이 된다. 또한 충분히 작은 임의의 양수 Δt\displaystyle \Delta t에 대해∫z(t)z(t+Δt)(A−S(x))dx=AvΔt>0,A−S(x)≥m>0\displaystyle \int_{z(t)}^{z(t+\Delta t)}(A-S(x))dx=Av\Delta t>0,\quad A-S(x)\ge m>0이므로 z(t+Δt)−z(t)>0\displaystyle z(t+\Delta t)-z(t)>0, 즉 증가함수이다. 이제 미분가능함을 보이기 위해F(x)=∫0x(A−S(u))du\displaystyle F(x)=\int_0^x(A-S(u))du로 두면 F(x)\displaystyle F(x)는 미분가능하고 F′(x)=A−S(x)≥m>0\displaystyle F^{\prime}(x)=A-S(x)\ge m>0이다. 이제 z(t)\displaystyle z(t)가 증가함수이므로Av=lim⁡Δt→01Δt∫z(t)z(t+Δt)(A−S(x))dx=lim⁡Δt→0(z(t+Δt)−z(t)Δt⋅F(z(t+Δt))−F(z(t))z(t+Δt)−z(t))\displaystyle Av=\lim_{\Delta t\to0}\frac1{\Delta t}\int_{z(t)}^{z(t+\Delta t)}(A-S(x))dx=\lim_{\Delta t\to0}\left(\frac{z(t+\Delta t)-z(t)}{\Delta t}\cdot\frac{F(z(t+\Delta t))-F(z(t))}{z(t+\Delta t)-z(t)}\right)이고, F(x)\displaystyle F(x)는 미분가능하며 z(t)\displaystyle z(t)가 연속이기 때문에lim⁡Δt→0F(z(t+Δt))−F(z(t))z(t+Δt)−z(t)=F′(z(t))>0\displaystyle \lim_{\Delta t\to0}\frac{F(z(t+\Delta t))-F(z(t))}{z(t+\Delta t)-z(t)}=F^{\prime}(z(t))>0이다. 따라서lim⁡Δt→0z(t+Δt)−z(t)Δt\displaystyle \lim_{\Delta t\to0}\frac{z(t+\Delta t)-z(t)}{\Delta t}는 존재하고 그 극한값은 Av/F′(z(t))\displaystyle Av/F^{\prime}(z(t))가 된다.

배점채점 기준
상S[1단계]부터 [3단계]까지 보이고 논증이 매끄러운 경우
상A[1단계]부터 [3단계]까지 보였으나 논증이 매끄럽지 않은 경우
중B[1단계]부터 [2단계]까지 보이고 논증이 매끄러운 경우
중C[1단계]부터 [2단계]까지 보였으나 논증이 매끄럽지 않은 경우
중D[1단계]를 작성하고 [2단계]의 수식 유도를 시도하였으나 제대로 끝마치지 못한 경우
하E[1단계]만 작성한 경우
하F어느 단계도 맞게 진술하지 못한 경우, 백지인 경우

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.