수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오전) 1번

문제

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해설강의 준비중
+20점 · 정적분을 이용하여 도형의 부피 V(t)\displaystyle V(t)W(t)\displaystyle W(t)를 정확히 구하였는가?

1. 정적분을 이용하면 V(t)=1t(lny)2dy, W(t)=340lnt(tex)2dx\displaystyle V(t)=\int_1^t(\ln y)^2\,dy,\ W(t)=\frac{\sqrt3}{4}\int_0^{\ln t}(t-e^x)^2\,dx이다. 부분적분을 이용하면V(t)=1t(lny)2dy=[y(lny)2]1t21tlnydy=t(lnt)22[ylnyy]1t=t(lnt)22tlnt+2t2\displaystyle V(t)=\int_1^t(\ln y)^2\,dy=\Biggl[y(\ln y)^2\Biggr]_1^t-2\int_1^t\ln y\,dy=t(\ln t)^2-2\Biggl[y\ln y-y\Biggr]_1^t=t(\ln t)^2-2t\ln t+2t-2이고W(t)=340lnt(tex)2dx=340lnte2x2tex+t2dx=34[12e2x2tex+t2x]0lnt=34(12t22t2+t2lnt12+2t)=34(t2lnt32t2+2t12)\displaystyle \begin{aligned}W(t)&=\frac{\sqrt3}{4}\int_0^{\ln t}(t-e^x)^2\,dx=\frac{\sqrt3}{4}\int_0^{\ln t}e^{2x}-2te^x+t^2\,dx\\&=\frac{\sqrt3}{4}\Biggl[\frac12e^{2x}-2te^x+t^2x\Biggr]_0^{\ln t}=\frac{\sqrt3}{4}\left(\frac12t^2-2t^2+t^2\ln t-\frac12+2t\right)=\frac{\sqrt3}{4}\left(t^2\ln t-\frac32t^2+2t-\frac12\right)\end{aligned}

+10점 · 극한값을 정확히 구하였는가?

따라서limtlnttW(t)V(t)=limtlntt34(t2lnt32t2+2t12)t(lnt)22tlnt+2t2\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{\ln t}{t}\frac{W(t)}{V(t)}=\lim_{t\to\infty}\frac{\ln t}{t}\frac{\frac{\sqrt3}{4}\left(t^2\ln t-\frac32t^2+2t-\frac12\right)}{t(\ln t)^2-2t\ln t+2t-2}이고, 분모 분자를 t2(lnt)2\displaystyle t^2(\ln t)^2로 나눠주면limtlnttW(t)V(t)=limt34132lnt+2tlnt12t2lnt12lnt+2(lnt)22t(lnt)2=34\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{\ln t}{t}\frac{W(t)}{V(t)}=\lim_{t\to\infty}\frac{\sqrt3}{4}\frac{1-\frac{3}{2\ln t}+\frac{2}{t\ln t}-\frac{1}{2t^2\ln t}}{1-\frac{2}{\ln t}+\frac{2}{(\ln t)^2}-\frac{2}{t(\ln t)^2}}=\frac{\sqrt3}{4}가 된다.

+30점 · 곡선의 길이 l(t)\displaystyle l(t)와 원점으로부터의 거리 d(t)\displaystyle d(t)를 정확히 구하였는가?

2.곡선의 길이 l(t)\displaystyle l(t)를 구하면l(t)=1t1+(32(x+1)12)2dx=1t1+94(x+1)dx=1t94x+134dx=[827(94x+134)32]1t=827(94t+134)32827\displaystyle \begin{aligned}l(t)&=\int_{-1}^t\sqrt{1+\left(\frac32(x+1)^{\frac12}\right)^2}\,dx=\int_{-1}^t\sqrt{1+\frac94(x+1)}\,dx\\&=\int_{-1}^t\sqrt{\frac94x+\frac{13}{4}}\,dx=\Biggl[\frac8{27}\left(\frac94x+\frac{13}{4}\right)^{\frac32}\Biggr]_{-1}^t=\frac8{27}\left(\frac94t+\frac{13}{4}\right)^{\frac32}-\frac8{27}\end{aligned}이다. 한편, d(t)\displaystyle d(t)d(t)=t2+((t+1)32)2=t2+(t+1)3\displaystyle d(t)=\sqrt{t^2+\left((t+1)^{\frac32}\right)^2}=\sqrt{t^2+(t+1)^3}이다.

+10점 · 극한값을 정확히 구하였는가?

따라서, l(t)d(t)=827(94t+134)321t2+(t+1)3\displaystyle \frac{l(t)}{d(t)}=\frac8{27}\frac{\left(\frac94t+\frac{13}{4}\right)^{\frac32}-1}{\sqrt{t^2+(t+1)^3}}이 된다. 분모와 분자를 t32\displaystyle t^{\frac32}로 나눈뒤 극한을 구하면limtl(t)d(t)=limt827(94+1341t)32(1t)321t+(1+1t)3=827(94)32=1\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{l(t)}{d(t)}=\lim_{t\to\infty}\frac8{27}\frac{\left(\frac94+\frac{13}{4}\cdot\frac1t\right)^{\frac32}-\left(\frac1t\right)^{\frac32}}{\sqrt{\frac1t+\left(1+\frac1t\right)^3}}=\frac8{27}\left(\frac94\right)^{\frac32}=1이 된다.

+20점 · 미분을 이용하여 그래프의 개형과 최솟값을 구하였는가?

3.양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=(x212x+37)2(2x+1)2\displaystyle f(x)=\frac{(x^2-12x+37)^2}{(2x+1)^2}이라고 하자. 이 때, 도함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)를 구하면f(x)=2(x212x+37)(2x12)(2x+1)2(x212x+37)22(2x+1)2(2x+1)4=4(x212x+37)((x6)(2x+1)(x212x+37))(2x+1)3=4(x212x+37)(x2+x43)(2x+1)3\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=\frac{2(x^2-12x+37)(2x-12)(2x+1)^2-(x^2-12x+37)^2\,2(2x+1)2}{(2x+1)^4}\\&=\frac{4(x^2-12x+37)((x-6)(2x+1)-(x^2-12x+37))}{(2x+1)^3}=\frac{4(x^2-12x+37)(x^2+x-43)}{(2x+1)^3}\end{aligned}이때, x212x+37=(x6)2+1>0\displaystyle x^2-12x+37=(x-6)^2+1>0이고 x>0\displaystyle x>0일 때 (2x+1)3>0\displaystyle (2x+1)^3>0이므로 도함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호는 x2+x43\displaystyle x^2+x-43에 의해 결정된다. x2+x43\displaystyle x^2+x-43x>0\displaystyle x>0인 근을 구하면 x=1+1732\displaystyle x=\frac{-1+\sqrt{173}}2이다.0<x<1+1732\displaystyle 0<x<\frac{-1+\sqrt{173}}2일 때 f(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이고 x>1+1732\displaystyle x>\frac{-1+\sqrt{173}}2일 때 f(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 x=1+1732\displaystyle x=\frac{-1+\sqrt{173}}2에서 f(x)\displaystyle f(x)가 최소가 되는 것을 알 수 있다.

+10점 · 최소가 되는 n\displaystyle n과 이때의 anbn\displaystyle \frac{a_n}{b_n}을 정확히 구하였는가?

13<173<14\displaystyle 13<\sqrt{173}<14를 이용하면 6<1+1732<132<7\displaystyle 6<\frac{-1+\sqrt{173}}2<\frac{13}2<7임을 알 수 있다. 따라서 n=6\displaystyle n=6 또는 n=7\displaystyle n=7인 경우에 anbn\displaystyle \frac{a_n}{b_n}가 최소가 된다.a6b6=1132<4152=a7b7\displaystyle \frac{a_6}{b_6}=\frac1{13^2}<\frac4{15^2}=\frac{a_7}{b_7}이므로 n=6\displaystyle n=6일 때 최솟값 a6b6=1132\displaystyle \frac{a_6}{b_6}=\frac1{13^2}을 갖는다.

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