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자연계열 1번

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문제

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+3점 · 가장 높이 쌓인 곳의 높이를 정확히 구함.

(1) 1d318\displaystyle \frac{1}{d^{3}}\ge\frac{1}{8} 일 때, 점 Q에서 실리콘이 쌓인 부분의 높이는 1d318\displaystyle \frac{1}{d^{3}}-\frac{1}{8}이므로 d\displaystyle d가 작을수록 높이가 높다. xy\displaystyle xy평면에서 점 P에 가장 가까운 점은 원점이며, 이때 d=1\displaystyle d=1이므로 가장 높이 쌓인 곳의 높이 tmax\displaystyle t_{\max}118=78\displaystyle 1-\frac{1}{8}=\frac{7}{8}이다.

+4점 · 반지름의 길이를 정확히 구함.

또한, 점 Q에서 원점까지의 거리를 r\displaystyle r이라 할 때, d=1+r2\displaystyle d=\sqrt{1+r^{2}}이므로 실리콘이 쌓인 부분은1d3=1(1+r2)32>18\displaystyle \frac{1}{d^{3}}=\frac{1}{(1+r^{2})^{\frac{3}{2}}}>\frac{1}{8}을 만족한다. 즉, 0r<3\displaystyle 0\le r<\sqrt{3}이므로 실리콘이 쌓인 부분의 반지름의 길이는 R=3\displaystyle R=\sqrt{3}이다.

(다른 풀이) 점 Q에서 원점까지의 거리를 r\displaystyle r이라 하자. 1d318\displaystyle \frac{1}{d^{3}}\ge\frac{1}{8}일 때, 점 Q에 쌓인 실리콘의 높이는 h(r)=1(1+r2)3218\displaystyle h(r)=\frac{1}{(1+r^{2})^{\frac{3}{2}}}-\frac{1}{8}이다. 실리콘이 쌓인 부분은 h(r)>0\displaystyle h(r)>0 또는 0r<3\displaystyle 0\le r<\sqrt{3}을 만족하므로 해당 부분의 반지름의 길이는 R=3\displaystyle R=\sqrt{3}이다.또한 r>0\displaystyle r>0 일 때 h(r)=3r(1+r2)52<0\displaystyle h^{\prime}(r)=-\frac{3r}{(1+r^{2})^{\frac{5}{2}}}<0이므로, h(r)\displaystyle h(r)는 구간 0r<3\displaystyle 0\le r<\sqrt{3}에서 감소하여 높이의 최댓값은 h(0)=118=78\displaystyle h(0)=1-\frac{1}{8}=\frac{7}{8}이다.

+2점 · 단면의 모양을 정확히 서술함.

(2) 점 Q에서 원점까지의 거리를 r\displaystyle r이라 할 때, 실리콘이 쌓인 높이 h(r)\displaystyle h(r)r\displaystyle r에 대하여 감소하는 함수이므로, 높이가 h(r)=t\displaystyle h(r)=t인 평면으로 자른 단면은 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원 모양이며, 단면의 넓이는 πr2\displaystyle \pi r^{2}이다.

+5점 · 정확한 풀이 과정을 통해 S(t)\displaystyle S(t)를 구함.

h(r)=1(1+r2)3218=t\displaystyle h(r)=\frac{1}{(1+r^{2})^{\frac{3}{2}}}-\frac{1}{8}=t로부터, r2=(18+t)231\displaystyle r^{2}=\left(\frac{1}{8}+t\right)^{-\frac{2}{3}}-1이므로S(t)=πr2=π((18+t)231)\displaystyle S(t)=\pi r^{2}=\pi\left(\left(\frac{1}{8}+t\right)^{-\frac{2}{3}}-1\right)이다. (단, 0t78\displaystyle 0\le t\le\frac{7}{8})

+2점 · 부피를 적분 식으로 표현함.

(3) 문항(2)의 결과를 사용하여 실리콘이 쌓인 부분의 부피를 구하면078S(t)dt=078π((18+t)231)dt\displaystyle \int_{0}^{\frac{7}{8}}S(t)\,dt=\int_{0}^{\frac{7}{8}}\pi\left(\left(\frac{1}{8}+t\right)^{-\frac{2}{3}}-1\right)dt

+5점 · 적분을 정확히 계산하여 답을 구함.

=[π(3(18+t)13t)]078=π((378)3×(18)13)=5π8\displaystyle \begin{aligned} &=\Biggl[\pi\left(3\left(\frac{1}{8}+t\right)^{\frac{1}{3}}-t\right)\Biggr]_{0}^{\frac{7}{8}} \\ &=\pi\left(\left(3-\frac{7}{8}\right)-3\times\left(\frac{1}{8}\right)^{\frac{1}{3}}\right) \\ &=\frac{5\pi}{8} \end{aligned}

+3점 · 임의의 상수 C\displaystyle C에 대해서 실리콘이 쌓인 부분의 부피를 구함.

(4) 앞의 문항과 동일한 방법으로 상수 0<C<1\displaystyle 0<C<1에 대하여 실리콘이 쌓인 부분의 부피를 구하면01CS(t)dt=01Cπ((C+t)231)dt=π[3(C+t)13t]01C=π[{3(1C)}3C13]=π(2+C3C13)\displaystyle \begin{aligned} \int_{0}^{1-C}S(t)\,dt &=\int_{0}^{1-C}\pi\left((C+t)^{-\frac{2}{3}}-1\right)dt \\ &=\pi\Biggl[3(C+t)^{\frac{1}{3}}-t\Biggr]_{0}^{1-C} \\ &=\pi\left[\{3-(1-C)\}-3C^{\frac{1}{3}}\right] \\ &=\pi\left(2+C-3C^{\frac{1}{3}}\right) \end{aligned}

+2점 · C0+\displaystyle C\to0+일 때의 극한값을 정확히 구함.

이므로, C0+\displaystyle C\to0+일 때의 극한값은 2π\displaystyle 2\pi이다.

+4점 · 기판에 남아있는 실리콘의 비율을 정확히 구함.

이는 실리콘의 증발량이 0\displaystyle 0으로 수렴할 때 기판에 쌓이는 실리콘의 부피의 극한값이므로, 뿌려진 실리콘의 총 부피를 나타낸다. 따라서, C=18\displaystyle C=\frac{1}{8}일 때 기판에 남아 있는 실리콘의 부피의 비율은 5π82π=516\displaystyle \frac{\frac{5\pi}{8}}{2\pi}=\frac{5}{16}이다.

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