수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

(1) 식 abf(x)dxt(ba)3\displaystyle \frac{\int_{a}^{b}f^{\prime}(x)dx}{t(b-a)^{3}}의 값을 구하시오.풀이: a,b\displaystyle a,bf(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 두 근이므로 f(x)=3t(xa)(xb)\displaystyle f^{\prime}(x)=3t(x-a)(x-b)이다. 따라서abf(x)dx=ab3t(xa)(xb)dx=12t(ba)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}이다. abf(x)dxt(ba)3=12t(ba)3t(ba)3=12\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}이다.

(2) g(t0)=255\displaystyle g(t_{0})=\frac{2\sqrt{5}}{5}일 때, t0\displaystyle t_{0}의 값을 구하시오.풀이: 직각삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}을 생각하면 주어진 조건 g(t0)=BCAB=255\displaystyle g(t_{0})=\frac{\overline{\mathrm{BC}}}{\overline{\mathrm{AB}}}=\frac{2\sqrt{5}}{5}으로부터 BC=2AC\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=2\overline{\mathrm{AC}}이다.BC=ba\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=b-a이고 AC=f(a)f(b)\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}=f(a)-f(b)이다. 문항 (1)의 풀이에서f(a)f(b)=abf(x)dx=12t(ba)3\displaystyle f(a)-f(b)=-\int_{a}^{b}f^{\prime}(x)dx=\frac{1}{2}t(b-a)^{3}이다. BC=2AC\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=2\overline{\mathrm{AC}}에 대입하면 ba=2(f(a)f(b))=t(ba)3\displaystyle b-a=2(f(a)-f(b))=t(b-a)^{3}이므로 t(ba)2=1\displaystyle t(b-a)^{2}=1이다.방정식 f(x)=3tx2+6x+3=0\displaystyle f^{\prime}(x)=3tx^{2}+6x+3=0의 두 근 a,b\displaystyle a,b에 대한 근과 계수와의 관계에 의해(ba)2=(b+a)24ab=(63t)24(33t)=44tt2\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}}를 만족한다. 여기서 b>a\displaystyle b>a이므로 1t>0\displaystyle 1-t>0임을 알 수 있고 방정식 f(x)=3tx2+6x+3=0\displaystyle f^{\prime}(x)=3tx^{2}+6x+3=0이 두 근을 가지는 조건과 일치한다. 1=t(ba)2=t(44tt2)=4t4\displaystyle 1=t(b-a)^{2}=t\left(\frac{4-4t}{t^{2}}\right)=\frac{4}{t}-4를 풀면 답은 t0=45\displaystyle t_{0}=\frac{4}{5}이다.

(3) 문항 (2)의 t0\displaystyle t_{0}에 대하여, 직선 x=a,y=f(b)\displaystyle x=a,y=f(b)y=f(x)\displaystyle y=f(x) (xa\displaystyle x\ge a)의 그래프로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오.풀이: 삼차함수는 변곡점을 중심으로 점대칭이므로 도형의 넓이는 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이와 같다.따라서 삼각형의 넓이는 12BCAC=12(ba)(12t(ba)3)=14t(ba)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}이다. 문항 (2)의 풀이에서 (ba)2=1t\displaystyle (b-a)^{2}=\frac{1}{t}이고 t=45\displaystyle t=\frac{4}{5}이므로 구하는 넓이는 14t=516\displaystyle \frac{1}{4t}=\frac{5}{16}이다.

(4) 극한값 limt0+g(t)t\displaystyle \lim_{t\to0^{+}}\frac{g(t)}{t}을 구하시오.풀이: g(t)=BCAB\displaystyle g(t)=\frac{\overline{\mathrm{BC}}}{\overline{\mathrm{AB}}}이므로 먼저 AB\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}를 구하면 AB=(f(a)f(b))2+(ba)2\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\sqrt{(f(a)-f(b))^{2}+(b-a)^{2}}이다. 문항 (2)의 풀이에서 f(a)f(b)=12t(ba)3\displaystyle f(a)-f(b)=\frac{1}{2}t(b-a)^{3}이고 (ba)2=44tt2\displaystyle (b-a)^{2}=\frac{4-4t}{t^{2}}이므로AB=(t(ba)32)2+(ba)2=(44t)34t4+44tt2\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}}}이고 BC=ba=44tt2\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=b-a=\sqrt{\frac{4-4t}{t^{2}}}이다. 따라서g(t)t=1t44tt2(44t)3+4t2(44t)4t4=4(44t)2+4t2\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}}}이고 limt0+g(t)t=4(4)2=12\displaystyle \lim_{t\to0^{+}}\frac{g(t)}{t}=\sqrt{\frac{4}{(4)^{2}}}=\frac{1}{2}이다.

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