수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2번] 다음 물음에 답하시오. (50점)

1. 임의의 실수 t\displaystyle t에 대해,sin⁡(t)sin⁡(π3−t)=acos⁡(bt+c)+d\displaystyle \sin(t)\sin\left(\frac\pi3-t\right)=a\cos(bt+c)+d를 만족시키는 상수 a,b,c,d\displaystyle a,b,c,d들의 집합 {a,b,c,d}\displaystyle \{a,b,c,d\}를 하나 구하시오.

2. 한 변의 길이가 1인 정삼각형 ABC가 있다. 0≤t≤π3\displaystyle 0\le t\le\frac\pi3인 t\displaystyle t에 대해,선분 AB를 점 A를 중심으로 t\displaystyle t만큼 회전시켜 얻어진 선분을 l\displaystyle l,선분 BC를 점 B를 중심으로 t\displaystyle t만큼 회전시켜 얻어진 선분을 m\displaystyle m,선분 CA를 점 C를 중심으로 t\displaystyle t만큼 회전시켜 얻어진 선분을 n\displaystyle n이라 하자.그림과 같이 선분 l\displaystyle l과 m\displaystyle m의 교점을 P, 선분 m\displaystyle m과 n\displaystyle n의 교점을 Q,선분 n\displaystyle n과 l\displaystyle l의 교점을 R이라 하고, 삼각형 PQR의 넓이를 S(t)\displaystyle S(t)라할 때, ∫0π3S(t) dt\displaystyle \int_0^{\frac\pi3}S(t)\,dt의 값을 구하시오.

정삼각형 ABC 내부의 교점 P, Q, R

3. 곡선 y=xln⁡x\displaystyle y=x\ln x와 이 곡선 위의 점 (1,0)에서의 접선, 그리고 직선 x=t\displaystyle x=t(단, t>1\displaystyle t>1)로 둘러싸인 도형의 넓이를 P(t)\displaystyle P(t)라 하고, 곡선 y=ln⁡x\displaystyle y=\ln x와 이 곡선 위의 점 (1,0)에서의 접선, 그리고 직선 x=t\displaystyle x=t(단, t>1\displaystyle t>1)로 둘러싸인 도형의 넓이를 Q(t)\displaystyle Q(t)라 하자.극한값 lim⁡t→∞P(t)t Q(t)\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{P(t)}{t\,Q(t)}를 구하시오.

해설강의 준비중
+20점 · 삼각함수의 덧셈정리를 이용해서 상수 a,b,c,d\displaystyle a,b,c,d를 잘 구했는가?

1. cos⁡(t)cos⁡(π3−t)+sin⁡(t)sin⁡(π3−t)=cos⁡(t−(π3−t))=cos⁡(2t−π3)\displaystyle \cos(t)\cos\left(\frac\pi3-t\right)+\sin(t)\sin\left(\frac\pi3-t\right)=\cos\left(t-\left(\frac\pi3-t\right)\right)=\cos\left(2t-\frac\pi3\right)cos⁡(t)cos⁡(π3−t)−sin⁡(t)sin⁡(π3−t)=cos⁡(t+(π3−t))=12\displaystyle \cos(t)\cos\left(\frac\pi3-t\right)-\sin(t)\sin\left(\frac\pi3-t\right)=\cos\left(t+\left(\frac\pi3-t\right)\right)=\frac12변변 빼서 정리하면, sin⁡(t)sin⁡(π3−t)=12cos⁡(2t−π3)−14\displaystyle \sin(t)\sin\left(\frac\pi3-t\right)=\frac12\cos\left(2t-\frac\pi3\right)-\frac14이므로 a=12, b=2, c=−π3, d=−14\displaystyle a=\frac12,\ b=2,\ c=-\frac\pi3,\ d=-\frac14이다.따라서 구하는 답은 {12, 2, −π3, −14}\displaystyle \left\{\frac12,\ 2,\ -\frac\pi3,\ -\frac14\right\}이다.

+20점 · 삼각형 ABP의 넓이에 대한 식을 잘 구했는가?

2. 먼저 삼각형 ABP의 넓이를 구하자. 그림으로부터 tan⁡(t)=hx, tan⁡(π3−t)=h1−x\displaystyle \tan(t)=\frac hx,\ \tan\left(\frac\pi3-t\right)=\frac h{1-x}이고,따라서 h=tan⁡(t)tan⁡(π3−t)tan⁡(t)+tan⁡(π3−t)=sin⁡(t)sin⁡(π3−t)sin⁡(t+(π3−t))=23sin⁡(t)sin⁡(π3−t)\displaystyle h=\frac{\tan(t)\tan\left(\frac\pi3-t\right)}{\tan(t)+\tan\left(\frac\pi3-t\right)}=\frac{\sin(t)\sin\left(\frac\pi3-t\right)}{\sin\left(t+\left(\frac\pi3-t\right)\right)}=\frac2{\sqrt3}\sin(t)\sin\left(\frac\pi3-t\right)이므로,삼각형 ABP의 넓이는 12⋅1⋅h=13sin⁡(t)sin⁡(π3−t)\displaystyle \frac12\cdot1\cdot h=\frac1{\sqrt3}\sin(t)\sin\left(\frac\pi3-t\right)이다.

밑변 AB의 길이가 1인 삼각형 ABP의 높이 h
+20점 · 정적분 ∫0π3S(t) dt\displaystyle \int_0^{\frac\pi3}S(t)\,dt의 값을 잘 구했는가?

삼각형 PQR의 넓이 S(t)\displaystyle S(t)는(삼각형 ABC의 넓이) − (삼각형 PQR의 넓이) − (삼각형 BCQ의 넓이) − (삼각형 CAR의 넓이)= (삼각형 ABC의 넓이) − 3 · (삼각형 PQR의 넓이)Correction. 빼는 삼각형의 이름 PQR\displaystyle PQR은 ABP\displaystyle ABP의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.=34−3⋅13sin⁡(t)sin⁡(π3−t)=32(1−cos⁡(2t−π3))\displaystyle =\frac{\sqrt3}4-3\cdot\frac1{\sqrt3}\sin(t)\sin\left(\frac\pi3-t\right)=\frac{\sqrt3}2\left(1-\cos\left(2t-\frac\pi3\right)\right)이므로,∫0π3S(t) dt=∫0π332(1−cos⁡(2t−π3)) dt=32[t−12sin⁡(2t−π3)]0π3=32(π3−32)=36π−34\displaystyle \int_0^{\frac\pi3}S(t)\,dt=\int_0^{\frac\pi3}\frac{\sqrt3}2\left(1-\cos\left(2t-\frac\pi3\right)\right)\,dt=\frac{\sqrt3}2\Biggl[t-\frac12\sin\left(2t-\frac\pi3\right)\Biggr]_0^{\frac\pi3}=\frac{\sqrt3}2\left(\frac\pi3-\frac{\sqrt3}2\right)=\frac{\sqrt3}6\pi-\frac34이다.

+10점 · 접선과 부분적분을 이용하여 P(t)\displaystyle P(t)를 정확히 구했는가?

3. 먼저 P(t)\displaystyle P(t)를 구하자. (xln⁡x)′=ln⁡x+1\displaystyle (x\ln x)^{\prime}=\ln x+1이므로 곡선 y=xln⁡x\displaystyle y=x\ln x에 (1,0)에서 접하는 직선의 기울기는 1이고 직선의 방정식은 y=x−1\displaystyle y=x-1이다. 따라서 부분적분을 이용하면P(t)=∫1txln⁡x−(x−1) dx=[12x2ln⁡x]1t−∫1t12x dx−∫1tx−1 dx=12t2ln⁡t−∫1t32x−1 dx=12t2ln⁡t−[34x2−x]1t=12t2ln⁡t−34t2+t−14\displaystyle \begin{aligned}P(t)&=\int_1^tx\ln x-(x-1)\,dx=\Biggl[\frac12x^2\ln x\Biggr]_1^t-\int_1^t\frac12x\,dx-\int_1^tx-1\,dx\\&=\frac12t^2\ln t-\int_1^t\frac32x-1\,dx\\&=\frac12t^2\ln t-\Biggl[\frac34x^2-x\Biggr]_1^t\\&=\frac12t^2\ln t-\frac34t^2+t-\frac14\end{aligned}

+10점 · 접선과 부분적분을 이용하여 Q(t)\displaystyle Q(t)를 정확히 구했는가?

이다. 그리고 Q(t)\displaystyle Q(t)를 구하자. (ln⁡x)′=1x\displaystyle (\ln x)^{\prime}=\frac1x이므로 곡선 y=ln⁡x\displaystyle y=\ln x에 접하고 (1,0)을 지나는 접선의 기울기는 1이고 직선의 방정식은 y=x−1\displaystyle y=x-1이다. 마찬가지로 부분적분을 이용하면Q(t)=∫1t(x−1)−ln⁡x dx=12t2−tln⁡t−12\displaystyle Q(t)=\int_1^t(x-1)-\ln x\,dx=\frac12t^2-t\ln t-\frac12

+20점 · 극한값 lim⁡x→∞ln⁡xx=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\ln x}x=0을 활용하여 극한값 lim⁡t→∞P(t)t Q(t)\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{P(t)}{t\,Q(t)}를 정확히 구했는가?

을 얻는다. 한편, 양수 x\displaystyle x에 대하여 ln⁡x<x\displaystyle \ln x<x이므로 ln⁡x=ln⁡(x)2=2ln⁡x<2x\displaystyle \ln x=\ln(\sqrt x)^2=2\ln\sqrt x<2\sqrt x를 얻을 수 있고, 이를 이용하면 x>1\displaystyle x>1인 x\displaystyle x에 대하여 0<ln⁡xx<2x\displaystyle 0<\frac{\ln x}x<\frac2{\sqrt x}가 된다. 이때, lim⁡x→∞2x=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac2{\sqrt x}=0이므로 lim⁡x→∞ln⁡xx=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\ln x}x=0이다.극한값을 구하면,lim⁡t→∞P(t)t⋅Q(t)=lim⁡t→∞12t2ln⁡t−34t2+t−14t(12t2−tln⁡t−12)=lim⁡t→∞ln⁡t2t−34t+1t2−14t3(12−ln⁡tt−12t2)=0\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{P(t)}{t\cdot Q(t)}=\lim_{t\to\infty}\frac{\frac12t^2\ln t-\frac34t^2+t-\frac14}{t\left(\frac12t^2-t\ln t-\frac12\right)}=\lim_{t\to\infty}\frac{\frac{\ln t}{2t}-\frac3{4t}+\frac1{t^2}-\frac1{4t^3}}{\left(\frac12-\frac{\ln t}t-\frac1{2t^2}\right)}=0임을 알 수 있다.

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