수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
1단계 · 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))에서의 접선의 기울기는 f(t)=cost+4\displaystyle f^{\prime}(t)=\cos t+4이고, 이 접선과 x\displaystyle x축의 양의 방향이 이루는 각의 크기를 α\displaystyle \alpha라고 하면 tanα=f(t)=cost+4\displaystyle \tan\alpha=f^{\prime}(t)=\cos t+4이다. 또한 역함수 미분법에 의해 곡선 y=f1(x)\displaystyle y=f^{-1}(x) 위의 점 (f(t),t)\displaystyle (f(t),t)에서의 접선의 기울기는 1f(t)\displaystyle \frac1{f^{\prime}(t)}이고, 이 접선과 x\displaystyle x축의 양의 방향이 이루는 각의 크기를 β\displaystyle \beta라고 하면 tanβ=1f(t)\displaystyle \tan\beta=\frac1{f^{\prime}(t)}이다.

(1) 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))에서의 접선의 기울기는 f(t)=cost+4\displaystyle f^{\prime}(t)=\cos t+4이고, 이 접선과 x\displaystyle x축의 양의 방향이 이루는 각의 크기를 α\displaystyle \alpha라고 하면 tanα=f(t)=cost+4\displaystyle \tan\alpha=f^{\prime}(t)=\cos t+4이다. 또한 역함수 미분법에 의해 곡선 y=f1(x)\displaystyle y=f^{-1}(x) 위의 점 (f(t),t)\displaystyle (f(t),t)에서의 접선의 기울기는 1f(t)\displaystyle \frac1{f^{\prime}(t)}이고, 이 접선과 x\displaystyle x축의 양의 방향이 이루는 각의 크기를 β\displaystyle \beta라고 하면 tanβ=1f(t)\displaystyle \tan\beta=\frac1{f^{\prime}(t)}이다.

2단계 · 그러므로 g(t)=tanθ=tan(αβ)=tanαtanβ1+tanαtanβ=(f(t))212f(t)\displaystyle g(t)=\tan\theta=\tan(\alpha-\beta)=\frac{\tan\alpha-\tan\beta}{1+\tan\alpha\tan\beta}=\frac{(f^{\prime}(t))^2-1}{2f^{\prime}(t)}이다. f(π2)=4\displaystyle f^{\prime}(\frac\pi2)=4이므로 g(π2)=158\displaystyle g(\frac\pi2)=\frac{15}8이다.

그러므로 g(t)=tanθ=tan(αβ)=tanαtanβ1+tanαtanβ=(f(t))212f(t)\displaystyle g(t)=\tan\theta=\tan(\alpha-\beta)=\frac{\tan\alpha-\tan\beta}{1+\tan\alpha\tan\beta}=\frac{(f^{\prime}(t))^2-1}{2f^{\prime}(t)}이다.f(π2)=4\displaystyle f^{\prime}(\frac\pi2)=4이므로 g(π2)=158\displaystyle g(\frac\pi2)=\frac{15}8이다.

3단계 · g(t)=(cost+4)212(cost+4)\displaystyle g(t)=\frac{(\cos t+4)^2-1}{2(\cos t+4)}에서 cost+4=s (3s5)\displaystyle \cos t+4=s\ (3\le s\le5)로 치환하면 g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값은 h(s)=s212s (3s5)\displaystyle h(s)=\frac{s^2-1}{2s}\ (3\le s\le5)의 최솟값과 같다. h(s)=1+s22s2>0\displaystyle h^{\prime}(s)=\frac{1+s^2}{2s^2}>0이므로 h(s)\displaystyle h(s)는 구간 [3,5]\displaystyle [3,5]에서 증가함수이다.

(2) g(t)=(cost+4)212(cost+4)\displaystyle g(t)=\frac{(\cos t+4)^2-1}{2(\cos t+4)}에서 cost+4=s (3s5)\displaystyle \cos t+4=s\ (3\le s\le5)로 치환하면 g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값은 h(s)=s212s (3s5)\displaystyle h(s)=\frac{s^2-1}{2s}\ (3\le s\le5)의 최솟값과 같다. h(s)=1+s22s2>0\displaystyle h^{\prime}(s)=\frac{1+s^2}{2s^2}>0이므로 h(s)\displaystyle h(s)는 구간 [3,5]\displaystyle [3,5]에서 증가함수이고

4단계 · s=3\displaystyle s=3일 때, 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값은 h(3)=43\displaystyle h(3)=\frac43이다.

s=3\displaystyle s=3일 때, 함수 g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값은 h(3)=43\displaystyle h(3)=\frac43이다.

5단계 · x=f(t) (0t2π)\displaystyle x=f(t)\ (0\le t\le2\pi)와 제시문 [다]를 이용하면f(0)f(2π)g(f1(x))dx=02πg(t)f(t)dt\displaystyle \int_{f(0)}^{f(2\pi)}g(f^{-1}(x))dx=\int_0^{2\pi}g(t)f^{\prime}(t)dt

(3) x=f(t) (0t2π)\displaystyle x=f(t)\ (0\le t\le2\pi)와 제시문 [다]를 이용하면f(0)f(2π)g(f1(x))dx=02πg(t)f(t)dt\displaystyle \int_{f(0)}^{f(2\pi)}g(f^{-1}(x))dx=\int_0^{2\pi}g(t)f^{\prime}(t)dt이다.

6단계 · 그런데 g(t)=(f(t))212f(t)\displaystyle g(t)=\frac{(f^{\prime}(t))^2-1}{2f^{\prime}(t)}이고 f(t)=cost+4\displaystyle f^{\prime}(t)=\cos t+4이므로f(0)f(2π)g(f1(x))dx=02π12((cost+4)21)dt=1202π(cos2t+8cost+15)dt\displaystyle \int_{f(0)}^{f(2\pi)}g(f^{-1}(x))dx=\int_0^{2\pi}\frac12((\cos t+4)^2-1)dt=\frac12\int_0^{2\pi}(\cos^2t+8\cos t+15)dt이고02πcos2tdt=02πcos2t+12dt=[sin2t4+t2]02π=π,\displaystyle \int_0^{2\pi}\cos^2t\,dt=\int_0^{2\pi}\frac{\cos2t+1}2dt=\Biggl[\frac{\sin2t}4+\frac t2\Biggr]_0^{2\pi}=\pi,02πcostdt=[sint]02π=0\displaystyle \int_0^{2\pi}\cos t\,dt=\Biggl[\sin t\Biggr]_0^{2\pi}=0이다.따라서 f(0)f(2π)g(f1(x))dx=1202π(cos2t+8cost+15)dt=31π2\displaystyle \int_{f(0)}^{f(2\pi)}g(f^{-1}(x))dx=\frac12\int_0^{2\pi}(\cos^2t+8\cos t+15)dt=\frac{31\pi}2이다.

그런데 g(t)=(f(t))212f(t)\displaystyle g(t)=\frac{(f^{\prime}(t))^2-1}{2f^{\prime}(t)}이고 f(t)=cost+4\displaystyle f^{\prime}(t)=\cos t+4이므로f(0)f(2π)g(f1(x))dx=02π12((cost+4)21)dt=1202π(cos2t+8cost+15)dt\displaystyle \int_{f(0)}^{f(2\pi)}g(f^{-1}(x))dx=\int_0^{2\pi}\frac12((\cos t+4)^2-1)dt=\frac12\int_0^{2\pi}(\cos^2t+8\cos t+15)dt이고02πcos2tdt=02πcos2t+12dt=[sin2t4+t2]02π=π,\displaystyle \int_0^{2\pi}\cos^2t\,dt=\int_0^{2\pi}\frac{\cos2t+1}2dt=\Biggl[\frac{\sin2t}4+\frac t2\Biggr]_0^{2\pi}=\pi,02πcostdt=[sint]02π=0\displaystyle \int_0^{2\pi}\cos t\,dt=\Biggl[\sin t\Biggr]_0^{2\pi}=0이다.따라서 f(0)f(2π)g(f1(x))dx=1202π(cos2t+8cost+15)dt=31π2\displaystyle \int_{f(0)}^{f(2\pi)}g(f^{-1}(x))dx=\frac12\int_0^{2\pi}(\cos^2t+8\cos t+15)dt=\frac{31\pi}2이다.

배점채점 기준
S[1단계]부터 [6단계]까지 모든 단계의 논증을 매끄럽게 작성한 경우
A[1단계]부터 [6단계]까지 5 단계만의 논증을 매끄럽게 작성한 경우
B[1단계]부터 [6단계]까지 4 단계만의 논증을 매끄럽게 작성한 경우
C[1단계]부터 [6단계]까지 3 단계만의 논증을 매끄럽게 작성한 경우
D[1단계]부터 [6단계]까지 2 단계만의 논증을 매끄럽게 작성한 경우
E[1단계]부터 [6단계]까지 1 단계만의 논증을 매끄럽게 작성한 경우
F어느 단계의 일부분도 논증이 매끄럽게 진술하지 못한 경우, 백지인 경우

첨삭 사례

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