(1) 식 ∫ a b f ′ ( x ) d x t ( b − a ) 3 \displaystyle \frac{\int_{a}^{b}f^{\prime}(x)dx}{t(b-a)^{3}} t ( b − a ) 3 ∫ a b f ′ ( x ) d x 의 값을 구하시오. 풀이: a , b \displaystyle a,b a , b 가 f ′ ( x ) = 0 \displaystyle f^{\prime}(x)=0 f ′ ( x ) = 0 의 두 근이므로 f ′ ( x ) = 3 t ( x − a ) ( x − b ) \displaystyle f^{\prime}(x)=3t(x-a)(x-b) f ′ ( x ) = 3 t ( x − a ) ( x − b ) 이다. 따라서 ∫ a b f ′ ( x ) d x = ∫ a b 3 t ( x − a ) ( x − b ) d x = − 1 2 t ( b − a ) 3 \displaystyle \int_{a}^{b}f^{\prime}(x)dx=\int_{a}^{b}3t(x-a)(x-b)dx=-\frac{1}{2}t(b-a)^{3} ∫ a b f ′ ( x ) d x = ∫ a b 3 t ( x − a ) ( x − b ) d x = − 2 1 t ( b − a ) 3 이다. ∫ a b f ′ ( x ) d x t ( b − a ) 3 = − 1 2 t ( b − a ) 3 t ( b − a ) 3 = − 1 2 \displaystyle \frac{\int_{a}^{b}f^{\prime}(x)dx}{t(b-a)^{3}}=\frac{-\frac{1}{2}t(b-a)^{3}}{t(b-a)^{3}}=-\frac{1}{2} t ( b − a ) 3 ∫ a b f ′ ( x ) d x = t ( b − a ) 3 − 2 1 t ( b − a ) 3 = − 2 1 이다.
(2) g ( t 0 ) = 2 5 5 \displaystyle g(t_{0})=\frac{2\sqrt{5}}{5} g ( t 0 ) = 5 2 5 일 때, t 0 \displaystyle t_{0} t 0 의 값을 구하시오. 풀이: 직각삼각형 A B C \displaystyle \mathrm{ABC} ABC 을 생각하면 주어진 조건 g ( t 0 ) = B C ‾ A B ‾ = 2 5 5 \displaystyle g(t_{0})=\frac{\overline{\mathrm{BC}}}{\overline{\mathrm{AB}}}=\frac{2\sqrt{5}}{5} g ( t 0 ) = AB BC = 5 2 5 으로부터 B C ‾ = 2 A C ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=2\overline{\mathrm{AC}} BC = 2 AC 이다. B C ‾ = b − a \displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=b-a BC = b − a 이고 A C ‾ = f ( a ) − f ( b ) \displaystyle \overline{\mathrm{AC}}=f(a)-f(b) AC = f ( a ) − f ( b ) 이다. 문항 (1)의 풀이에서f ( a ) − f ( b ) = − ∫ a b f ′ ( x ) d x = 1 2 t ( b − a ) 3 \displaystyle f(a)-f(b)=-\int_{a}^{b}f^{\prime}(x)dx=\frac{1}{2}t(b-a)^{3} f ( a ) − f ( b ) = − ∫ a b f ′ ( x ) d x = 2 1 t ( b − a ) 3 이다. B C ‾ = 2 A C ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=2\overline{\mathrm{AC}} BC = 2 AC 에 대입하면 b − a = 2 ( f ( a ) − f ( b ) ) = t ( b − a ) 3 \displaystyle b-a=2(f(a)-f(b))=t(b-a)^{3} b − a = 2 ( f ( a ) − f ( b )) = t ( b − a ) 3 이므로 t ( b − a ) 2 = 1 \displaystyle t(b-a)^{2}=1 t ( b − a ) 2 = 1 이다. 방정식 f ′ ( x ) = 3 t x 2 + 6 x + 3 = 0 \displaystyle f^{\prime}(x)=3tx^{2}+6x+3=0 f ′ ( x ) = 3 t x 2 + 6 x + 3 = 0 의 두 근 a , b \displaystyle a,b a , b 에 대한 근과 계수와의 관계에 의해 ( b − a ) 2 = ( b + a ) 2 − 4 a b = ( − 6 3 t ) 2 − 4 ( 3 3 t ) = 4 − 4 t t 2 \displaystyle (b-a)^{2}=(b+a)^{2}-4ab=\left(\frac{-6}{3t}\right)^{2}-4\left(\frac{3}{3t}\right)=\frac{4-4t}{t^{2}} ( b − a ) 2 = ( b + a ) 2 − 4 ab = ( 3 t − 6 ) 2 − 4 ( 3 t 3 ) = t 2 4 − 4 t 를 만족한다. 여기서 b > a \displaystyle b>a b > a 이므로 1 − t > 0 \displaystyle 1-t>0 1 − t > 0 임을 알 수 있고 방정식 f ′ ( x ) = 3 t x 2 + 6 x + 3 = 0 \displaystyle f^{\prime}(x)=3tx^{2}+6x+3=0 f ′ ( x ) = 3 t x 2 + 6 x + 3 = 0 이 두 근을 가지는 조건과 일치한다. 1 = t ( b − a ) 2 = t ( 4 − 4 t t 2 ) = 4 t − 4 \displaystyle 1=t(b-a)^{2}=t\left(\frac{4-4t}{t^{2}}\right)=\frac{4}{t}-4 1 = t ( b − a ) 2 = t ( t 2 4 − 4 t ) = t 4 − 4 를 풀면 답은 t 0 = 4 5 \displaystyle t_{0}=\frac{4}{5} t 0 = 5 4 이다.
(3) 문항 (2)의 t 0 \displaystyle t_{0} t 0 에 대하여, 직선 x = a , y = f ( b ) \displaystyle x=a,y=f(b) x = a , y = f ( b ) 와 y = f ( x ) \displaystyle y=f(x) y = f ( x ) (x ≥ a \displaystyle x\ge a x ≥ a )의 그래프로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오. 풀이: 삼차함수는 변곡점을 중심으로 점대칭이므로 도형의 넓이는 삼각형 A B C \displaystyle \mathrm{ABC} ABC 의 넓이와 같다. 따라서 삼각형의 넓이는 1 2 ⋅ B C ‾ ⋅ A C ‾ = 1 2 ( b − a ) ( 1 2 t ( b − a ) 3 ) = 1 4 t ( b − a ) 4 \displaystyle \frac{1}{2}\cdot\overline{\mathrm{BC}}\cdot\overline{\mathrm{AC}}=\frac{1}{2}(b-a)\left(\frac{1}{2}t(b-a)^{3}\right)=\frac{1}{4}t(b-a)^{4} 2 1 ⋅ BC ⋅ AC = 2 1 ( b − a ) ( 2 1 t ( b − a ) 3 ) = 4 1 t ( b − a ) 4 이다. 문항 (2)의 풀이에서 ( b − a ) 2 = 1 t \displaystyle (b-a)^{2}=\frac{1}{t} ( b − a ) 2 = t 1 이고 t = 4 5 \displaystyle t=\frac{4}{5} t = 5 4 이므로 구하는 넓이는 1 4 t = 5 16 \displaystyle \frac{1}{4t}=\frac{5}{16} 4 t 1 = 16 5 이다.
(4) 극한값 lim t → 0 + g ( t ) t \displaystyle \lim_{t\to0^{+}}\frac{g(t)}{t} t → 0 + lim t g ( t ) 을 구하시오. 풀이: g ( t ) = B C ‾ A B ‾ \displaystyle g(t)=\frac{\overline{\mathrm{BC}}}{\overline{\mathrm{AB}}} g ( t ) = AB BC 이므로 먼저 A B ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{AB}} AB 를 구하면 A B ‾ = ( f ( a ) − f ( b ) ) 2 + ( b − a ) 2 \displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\sqrt{(f(a)-f(b))^{2}+(b-a)^{2}} AB = ( f ( a ) − f ( b ) ) 2 + ( b − a ) 2 이다. 문항 (2)의 풀이에서 f ( a ) − f ( b ) = 1 2 t ( b − a ) 3 \displaystyle f(a)-f(b)=\frac{1}{2}t(b-a)^{3} f ( a ) − f ( b ) = 2 1 t ( b − a ) 3 이고 ( b − a ) 2 = 4 − 4 t t 2 \displaystyle (b-a)^{2}=\frac{4-4t}{t^{2}} ( b − a ) 2 = t 2 4 − 4 t 이므로 A B ‾ = ( t ( b − a ) 3 2 ) 2 + ( b − a ) 2 = ( 4 − 4 t ) 3 4 t 4 + 4 − 4 t t 2 \displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\sqrt{\left(\frac{t(b-a)^{3}}{2}\right)^{2}+(b-a)^{2}}=\sqrt{\frac{(4-4t)^{3}}{4t^{4}}+\frac{4-4t}{t^{2}}} AB = ( 2 t ( b − a ) 3 ) 2 + ( b − a ) 2 = 4 t 4 ( 4 − 4 t ) 3 + t 2 4 − 4 t 이고 B C ‾ = b − a = 4 − 4 t t 2 \displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=b-a=\sqrt{\frac{4-4t}{t^{2}}} BC = b − a = t 2 4 − 4 t 이다. 따라서 g ( t ) t = 1 t 4 − 4 t t 2 ( 4 − 4 t ) 3 + 4 t 2 ( 4 − 4 t ) 4 t 4 = 4 ( 4 − 4 t ) 2 + 4 t 2 \displaystyle \frac{g(t)}{t}=\frac{1}{t}\sqrt{\frac{\frac{4-4t}{t^{2}}}{\frac{(4-4t)^{3}+4t^{2}(4-4t)}{4t^{4}}}}=\sqrt{\frac{4}{(4-4t)^{2}+4t^{2}}} t g ( t ) = t 1 4 t 4 ( 4 − 4 t ) 3 + 4 t 2 ( 4 − 4 t ) t 2 4 − 4 t = ( 4 − 4 t ) 2 + 4 t 2 4 이고 lim t → 0 + g ( t ) t = 4 ( 4 ) 2 = 1 2 \displaystyle \lim_{t\to0^{+}}\frac{g(t)}{t}=\sqrt{\frac{4}{(4)^{2}}}=\frac{1}{2} t → 0 + lim t g ( t ) = ( 4 ) 2 4 = 2 1 이다.