수리논술, 이게 다다.

자연계열 2-1번

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문제

곡선 y=x+1x\displaystyle y=x+\frac{1}{x} 위의 점 (t, t+1t)\displaystyle \left(t,\ t+\frac{1}{t}\right)에서의 접선과 점 (s, s+1s)\displaystyle \left(s,\ s+\frac{1}{s}\right)에서의 접선, 그리고 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형의 넓이가 3215\displaystyle \frac{32}{15}일 때, t=12\displaystyle t=\frac{1}{2}에서 dsdt\displaystyle \frac{ds}{dt}의 값을 구하시오. (단, 0<t<1<s\displaystyle 0<t<1<s)

논술 유리함수의 성질

+15점 · 삼각형의 넓이를 t\displaystyle t와 s\displaystyle s에 대한 식으로 표현했는가?

점 (t,t+1t)\displaystyle \left(t,t+\frac{1}{t}\right)에서 곡선 y=x+1x\displaystyle y=x+\frac{1}{x}에 접하는 접선의 방정식은 y=(1−1t2)(x−t)+t+1t=(1−1t2)x+2t\displaystyle y=\left(1-\frac{1}{t^{2}}\right)(x-t)+t+\frac{1}{t}=\left(1-\frac{1}{t^{2}}\right)x+\frac{2}{t}이고 이 접선의 x\displaystyle x절편은 2t1−t2\displaystyle \frac{2t}{1-t^{2}}이다. 또한, 점 (s,s+1s)\displaystyle \left(s,s+\frac{1}{s}\right)에서 곡선 y=x+1x\displaystyle y=x+\frac{1}{x}에 접하는 접선의 방정식은 y=(1−1s2)x+2s\displaystyle y=\left(1-\frac{1}{s^{2}}\right)x+\frac{2}{s}이고 이 접선의 x\displaystyle x절편은 −2ss2−1\displaystyle -\frac{2s}{s^{2}-1}이다. 두 접선의 교점의 x\displaystyle x좌표를 구해보면 (1−1t2)x+2t=(1−1s2)x+2s\displaystyle \left(1-\frac{1}{t^{2}}\right)x+\frac{2}{t}=\left(1-\frac{1}{s^{2}}\right)x+\frac{2}{s}로부터 (1t2−1s2)x=2t−2s\displaystyle \left(\frac{1}{t^{2}}-\frac{1}{s^{2}}\right)x=\frac{2}{t}-\frac{2}{s}를 얻고, 이를 정리하면 x=2tst+s\displaystyle x=\frac{2ts}{t+s}이다. 따라서 교점의 y\displaystyle y좌표는 y=(1−1t2)2tst+s+2t=2(ts+1)t+s\displaystyle y=\left(1-\frac{1}{t^{2}}\right)\frac{2ts}{t+s}+\frac{2}{t}=\frac{2(ts+1)}{t+s}이다. 두 접선과 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형은 삼각형이므로 이 도형의 넓이는12×(2t1−t2+2ss2−1)×2(ts+1)t+s=2(s−t)(ts+1)2(1−t2)(s2−1)(t+s)=3215\displaystyle \frac{1}{2}\times\left(\frac{2t}{1-t^{2}}+\frac{2s}{s^{2}-1}\right)\times\frac{2(ts+1)}{t+s}=\frac{2(s-t)(ts+1)^{2}}{(1-t^{2})(s^{2}-1)(t+s)}=\frac{32}{15}이다.

+10점 · t=12\displaystyle t=\frac{1}{2}일 때, s=2\displaystyle s=2임을 구했는가?

t=12\displaystyle t=\frac{1}{2}일 때, 5(s−12)(s2+1)2=4(s2−1)(s+12)\displaystyle 5\left(s-\frac{1}{2}\right)\left(\frac{s}{2}+1\right)^{2}=4(s^{2}-1)\left(s+\frac{1}{2}\right)이고 이를 정리하면 22s3−19s2−52s+4=(s−2)(22s2+25s−2)=0\displaystyle 22s^{3}-19s^{2}-52s+4=(s-2)(22s^{2}+25s-2)=0을 얻는다. f(s)=22s2+25s−2\displaystyle f(s)=22s^{2}+25s-2라 두면 f(1)=45>0\displaystyle f(1)=45>0이고, s>1\displaystyle s>1일 때 f′(s)=44s+25>0\displaystyle f^{\prime}(s)=44s+25>0이므로 1\displaystyle 1보다 큰 모든 실수 s\displaystyle s에 대하여 f(s)>0\displaystyle f(s)>0이다. 따라서 s=2\displaystyle s=2이다.

+15점 · 음함수의 미분법을 이용하여 t=12\displaystyle t=\frac{1}{2}에서 dsdt\displaystyle \frac{ds}{dt}를 구했는가?

한편, 위에서 얻은 방정식을 정리하면 (31t2−16)s3+(t3+14t)s2−(46t2−31)s−16t3+t=0\displaystyle (31t^{2}-16)s^{3}+(t^{3}+14t)s^{2}-(46t^{2}-31)s-16t^{3}+t=0이다. s\displaystyle s를 t\displaystyle t에 대한 함수로 보고 양변을 t\displaystyle t에 대해서 미분하면62ts3+3(31t2−16)s2dsdt+(3t2+14)s2+2(t3+14t)sdsdt−92ts−(46t2−31)dsdt−48t2+1=0\displaystyle 62ts^{3}+3(31t^{2}-16)s^{2}\frac{ds}{dt}+(3t^{2}+14)s^{2}+2(t^{3}+14t)s\frac{ds}{dt}-92ts-(46t^{2}-31)\frac{ds}{dt}-48t^{2}+1=0이고 여기에 t=12\displaystyle t=\frac{1}{2}, s=2\displaystyle s=2를 대입하면 dsdt=4\displaystyle \frac{ds}{dt}=4를 얻는다.

TMI. 두 접선의 교점의 x\displaystyle x좌표 2tst+s\displaystyle \frac{2ts}{t+s}는 t\displaystyle t와 s\displaystyle s의 조화평균이다.곡선을 바꾸면 다른 평균이 나온다 — 이차함수 y=ax2+bx+c\displaystyle y=ax^{2}+bx+c 위의 두 점 x=t\displaystyle x=t, x=s\displaystyle x=s에서 그은 접선은 a\displaystyle a, b\displaystyle b, c\displaystyle c가 무엇이든 x=t+s2\displaystyle x=\frac{t+s}{2}, 곧 산술평균에서 만나고, 무리함수 y=x\displaystyle y=\sqrt{x} 위의 두 접선은 x=ts\displaystyle x=\sqrt{ts}, 곧 기하평균에서 만난다.조화평균을 주는 것은 유리함수 y=1x\displaystyle y=\frac{1}{x} 쪽인데, 이 문제의 y=x+1x\displaystyle y=x+\frac{1}{x}도 그 꼴이라 같은 답이 나온다.

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