수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후2) 2번

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문제

[문제 2] 다음 물음에 답하시오. (50점)

1. 곡선 y=1x\displaystyle y = \frac{1}{x} 위의 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 점 A(a,1a)\displaystyle {\mathrm{A}} \left( a , \frac{1}{a} \right), B(e2a,1e2a)\displaystyle {\mathrm{B}} \left( e^{2} a , \frac{1}{e^{2} a} \right) 사이를 움직일 때, 선분 AP\displaystyle \mathrm{AP}와 곡선 y=1x\displaystyle y = \frac{1}{x}로 둘러싸인 부분의 넓이를 S1\displaystyle S_{1}, 선분 PB\displaystyle \mathrm{PB}와 곡선 y=1x\displaystyle y = \frac{1}{x}로 둘러싸인 부분의 넓이를 S2\displaystyle S_{2}라 하자. S1+S2\displaystyle S_{1} + S_{2}의 최솟값을 구하시오. (단, a>0\displaystyle a > 0이고 e=lim⁡n→∞(1+1n)n\displaystyle e = \lim_{n \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^{n}이다.)

2. 양의 실수로 이루어진 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}에 대하여 lim⁡n→∞(an)n=2019\displaystyle \lim_{n \to \infty} ( a_{n} )^{n} = 2019일 때, 극한값 lim⁡n→∞n(an−1)\displaystyle \lim_{n \to \infty} n ( a_{n} - 1 )을 구하시오.

3. 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f ( x ), g(x)\displaystyle g ( x )는 다음 조건을 만족한다.(ⅰ) f(0)=3\displaystyle f ( 0 ) = 3, f(π)=5\displaystyle f ( \pi ) = 5(ⅱ) 0≤x≤π\displaystyle 0 \le x \le \pi인 실수 x\displaystyle x에 대하여 g(x)≠0\displaystyle g ( x ) \ne 0이다.(ⅲ) f′(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )와 g′(x)\displaystyle g^{\prime} ( x )는 연속함수이다.(ⅳ) 0≤x≤π\displaystyle 0 \le x \le \pi인 실수 x\displaystyle x에 대하여 {f(x)}2−{g(x)}4=4\displaystyle \left\{ f ( x ) \right\}^{2} - \left\{ g ( x ) \right\}^{4} = 4이다.적분값 ∫0π3f(x)g′(x)−f′(x)g(x){f(x)}2g(x)dx\displaystyle \int_{0}^{\pi} \frac{{3 f ( x ) g^{\prime} ( x ) - f^{\prime} ( x ) g ( x )}}{\left\{ f ( x ) \right\}^{2} g ( x )} d x를 구하시오.

해설강의 준비중

[문제 2]1. b=e2a\displaystyle b=e^2a로 두면, 선분 AP의 방정식과 선분 PB의 방정식은 각각y=1t−1at−a(x−a)+1a=−1at(x−a)+1a(a≤x≤t),y=−1bt(x−t)+1t(t≤x≤b)\displaystyle y=\frac{\frac1t-\frac1a}{t-a}(x-a)+\frac1a=-\frac1{at}(x-a)+\frac1a\quad(a\le x\le t),\quad y=-\frac1{bt}(x-t)+\frac1t\quad(t\le x\le b)이다. 따라서S1=∫at{−1at(x−a)+1a−1x} dx=[−12at(x−a)2+xa−ln⁡x]at=−12at(t−a)2+ta−ln⁡t−1+ln⁡a=12{ta−at+2ln⁡at}.\displaystyle \begin{aligned}S_1&=\int_a^t\left\{-\frac1{at}(x-a)+\frac1a-\frac1x\right\}\,dx=\Biggl[-\frac1{2at}(x-a)^2+\frac xa-\ln x\Biggr]_a^t\\&=-\frac1{2at}(t-a)^2+\frac ta-\ln t-1+\ln a=\frac12\left\{\frac ta-\frac at+2\ln\frac at\right\}.\end{aligned}비슷하게S2=12{bt−tb+2ln⁡tb}\displaystyle S_2=\frac12\left\{\frac bt-\frac tb+2\ln\frac tb\right\}이 성립하고, 이로부터S1+S2=12{(1a−1b)t+b−at+2ln⁡ab}=12{(b−a)(tab+1t)+2ln⁡ab}\displaystyle S_1+S_2=\frac12\left\{\left(\frac1a-\frac1b\right)t+\frac{b-a}t+2\ln\frac ab\right\}=\frac12\left\{(b-a)\left(\frac t{ab}+\frac1t\right)+2\ln\frac ab\right\}을 얻는다. 산술평균과 기하평균의 관계에 의해S1+S2≥(b−a)1ab+ln⁡ab=(e2−1)aea+ln⁡ae2a=e2−1e−2\displaystyle S_1+S_2\ge(b-a)\frac1{\sqrt{ab}}+\ln\frac ab=\frac{(e^2-1)a}{ea}+\ln\frac a{e^2a}=\frac{e^2-1}e-2이 성립하고 등호는 t=ab=ea\displaystyle t=\sqrt{ab}=ea일 때 성립한다. 따라서 S1+S2\displaystyle S_1+S_2의 최솟값은 e2−1e−2\displaystyle \frac{e^2-1}e-2이다.

2. lim⁡n→∞(an)n=2019\displaystyle \lim_{n \to \infty} ( a_{n} )^{n} = 2019이므로, lim⁡n→∞nln⁡an=ln⁡2019\displaystyle \lim_{n \to \infty} n \ln a_{n} = \ln 2019이고 lim⁡n→∞an=1\displaystyle \lim_{n \to \infty} a_{n} = 1이다.그런데, 2019=lim⁡n→∞(an)n=lim⁡n→∞[1+(an−1)]n\displaystyle 2019 = \lim_{n \to \infty} ( a_{n} )^{n} = \lim_{n \to \infty} \left[ 1 + ( a_{n} - 1 ) \right]^{n}=lim⁡n→∞[1+(an−1)]1an−1n(an−1)\displaystyle = \lim_{n \to \infty} \left[ 1 + ( a_{n} - 1 ) \right]^{\frac{1}{a_{n} - 1} n ( a_{n} - 1 )}이다.양변에 로그를 취하면,ln⁡2019=lim⁡n→∞ln⁡[1+(an−1)]1an−1⋅n(an−1)\displaystyle \ln 2019 = \lim_{n \to \infty} \ln \left[ 1 + ( a_{n} - 1 ) \right]^{\frac{1}{a_{n} - 1} \cdot n ( a_{n} - 1 )}=lim⁡n→∞n(an−1)ln⁡[1+(an−1)]1an−1\displaystyle = \lim_{n \to \infty} n ( a_{n} - 1 ) \ln \left[ 1 + ( a_{n} - 1 ) \right]^{\frac{1}{a_{n} - 1}}을 얻는다.lim⁡n→∞(1+(an−1))1an−1=e\displaystyle \lim_{n \to \infty} ( 1 + ( a_{n} - 1 ) )^{\frac{1}{a_{n} - 1}} = e이므로, lim⁡n→∞ln⁡[1+(an−1)]1an−1=1\displaystyle \lim_{n \to \infty} \ln \left[ 1 + ( a_{n} - 1 ) \right]^{\frac{1}{a_{n} - 1}} = 1이다.따라서 구하는 극한값은 lim⁡n→∞n(an−1)=ln⁡2019\displaystyle \lim_{n \to \infty} n ( a_{n} - 1 ) = \ln 2019이다.

3. {f(x)}2−{g(x)}4=4\displaystyle \{f(x)\}^2-\{g(x)\}^4=4를 미분하면⇒ 2f(x)f′(x)−4{g(x)}3g′(x)=0⇒g′(x)f(x)=f′(x)2{g(x)}3⋯⋯⋯ ①\displaystyle \Rightarrow\ 2f(x)f'(x)-4\{g(x)\}^3g'(x)=0\quad\Rightarrow\quad\frac{g'(x)}{f(x)}=\frac{f'(x)}{2\{g(x)\}^3}\quad\cdots\cdots\cdots\ ①∫0π3f(x)g′(x)−f′(x)g(x){f(x)}2g(x) dx=∫0π[3f(x)g′(x){f(x)}2g(x)−f′(x)g(x){f(x)}2g(x)] dx=∫0π[3f(x)g′(x){f(x)}2g(x)−f′(x){f(x)}2] dx=∫0π3f(x)g′(x){f(x)}2g(x) dx−∫0πf′(x){f(x)}2 dx\displaystyle \begin{aligned}\int_0^\pi\frac{3f(x)g'(x)-f'(x)g(x)}{\{f(x)\}^2g(x)}\,dx&=\int_0^\pi\left[\frac{3f(x)g'(x)}{\{f(x)\}^2g(x)}-\frac{f'(x)g(x)}{\{f(x)\}^2g(x)}\right]\,dx\\&=\int_0^\pi\left[\frac{3f(x)g'(x)}{\{f(x)\}^2g(x)}-\frac{f'(x)}{\{f(x)\}^2}\right]\,dx=\int_0^\pi\frac{3f(x)g'(x)}{\{f(x)\}^2g(x)}\,dx-\int_0^\pi\frac{f'(x)}{\{f(x)\}^2}\,dx\end{aligned}(1) ∫0πf′(x){f(x)}2 dx=[−1f(x)]0π=−(1f(π)−1f(0))=−(15−13)=215\displaystyle \int_0^\pi\frac{f'(x)}{\{f(x)\}^2}\,dx=\Biggl[-\frac1{f(x)}\Biggr]_0^\pi=-\left(\frac1{f(\pi)}-\frac1{f(0)}\right)=-\left(\frac15-\frac13\right)=\frac2{15}(2) ①의 관계식에 의해 다음 식을 얻는다.∫0π3f(x)g′(x){f(x)}2g(x) dx=∫0π{g(x)}3f(x)3g′(x){g(x)}4 dx=32∫0π2{g(x)}3f(x)g′(x){g(x)}4 dx\displaystyle \int_0^\pi\frac{3f(x)g'(x)}{\{f(x)\}^2g(x)}\,dx=\int_0^\pi\frac{\{g(x)\}^3}{f(x)}\frac{3g'(x)}{\{g(x)\}^4}\,dx=\frac32\int_0^\pi\frac{2\{g(x)\}^3}{f(x)}\frac{g'(x)}{\{g(x)\}^4}\,dx따라서 적분값을 구하면,32∫0π2{g(x)}3f(x)g′(x){g(x)}4 dx=32∫0πf(x)f′(x)f(x)({f(x)}2−4) dx=32∫0πf′(x){f(x)}2−4 dx=38∫0π(f′(x)f(x)−2−f′(x)f(x)+2) dx=38[ln⁡∣f(x)−2∣−ln⁡∣f(x)+2∣]0π=38{ln⁡3−ln⁡7+ln⁡5}=38ln⁡157\displaystyle \begin{aligned}\frac32\int_0^\pi\frac{2\{g(x)\}^3}{f(x)}\frac{g'(x)}{\{g(x)\}^4}\,dx&=\frac32\int_0^\pi\frac{f(x)f'(x)}{f(x)(\{f(x)\}^2-4)}\,dx=\frac32\int_0^\pi\frac{f'(x)}{\{f(x)\}^2-4}\,dx\\&=\frac38\int_0^\pi\left(\frac{f'(x)}{f(x)-2}-\frac{f'(x)}{f(x)+2}\right)\,dx\\&=\frac38\Biggl[\ln|f(x)-2|-\ln|f(x)+2|\Biggr]_0^\pi\\&=\frac38\{\ln3-\ln7+\ln5\}=\frac38\ln\frac{15}7\end{aligned}(1)과 (2)로부터 구하는 적분값은 −215+38ln⁡157\displaystyle -\frac2{15}+\frac38\ln\frac{15}7이다.

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