[가]x의 값이 a보다 작으면서 a에 한없이 가까워질 때, f(x)의 값이 일정한 값 β에 한없이 가까워지면 β를 x=a에서의 함수 f(x)의 좌극한이라고 하며, 다음과 같이 나타낸다.
x→a−0limf(x)=β
[나]
닫힌 구간 [a,b]에서 연속인 곡선 y=f(x)와 x축 및 두 직선 x=a, x=b로 둘러싸인 도형을 x축의 둘레로 회전시킬 때 생기는 회전체의 부피를 구하여 보자. x좌표가 x인 점을 지나 x축에 수직인 평면으로 이 회전체를 자르면 그 단면은 반지름의 길이가 ∣f(x)∣인 원이 된다. 그 단면의 넓이를 S(x)라고 하면
S(x)=πy2=π{f(x)}2
이다. 따라서, 구하는 회전체의 부피 V는 다음과 같다.
V=∫abS(x)dx=∫abπy2dx=π∫ab{f(x)}2dx
[다]
함수 y=f(x)에서 x의 값이 a에서 a+Δx까지 변할 때의 평균변화율 ΔxΔy=Δxf(a+Δx)−f(a)에 대하여 극한값
Δx→0limΔxΔy=Δx→0limΔxf(a+Δx)−f(a)
가 존재하면 함수 y=f(x)는 x=a에서 미분가능하다고 한다. 이때, 이 극한값을 함수 y=f(x)의 x=a에서의 순간변화율
또는 미분계수라 하고 기호 f′(a)로 나타낸다.
[라]
미분가능한 두 함수 y=f(z), z=g(x)에 대하여 합성함수 y=f(g(x))의 도함수는 다음과 같다.
dxdy=dzdydxdz 또는 y′=f′(g(x))g′(x)
[마]
미분가능한 함수 y=f(x)에 대하여 f′(a)=0일 때
(1)x=a의 좌우에서 f′(x)의 부호가 양(+)에서 음(-)으로 바뀌면, 함수 f(x)는 x=a에서 극댓값을 갖는다.
(2)x=a의 좌우에서 f′(x)의 부호가 음(-)에서 양(+)으로 바뀌면, 함수 f(x)는 x=a에서 극솟값을 갖는다.
[그림 1][그림 2][그림 3]
[논제 I] 아래 상황 1과 상황 2를 읽고 논제에 답하시오.
상황 1: 반지름이 각각 r1=1과 r2=2인 서로 다른 물질로 만들어진 두 반구가 [그림 1]과 같이 서로 접하면서 놓여있고, 시간 t(t≥0)가 지남에 따라 각 반구의 반지름 r1이 1−t로, r2가 2−3t로 변한다. 여기서 항상 두 밑면은 평행하고, 윗 반구 밑면의 중심이 아래 반구와 접한다. 단, 각 반구의 반지름이 0이 되면, 그 반구는 녹아 없어진 것으로 생각한다. (여기서 반구는 구와 구의 중심을 지나는 평면으로 둘러싸인 한 쪽 입체도형을 말한다.)
상황 2: 반지름이 r1=1인 얼음으로 만들어진 반구와 r2=2인 눈으로 만들어진 반구가 [그림 1]과 같이 서로 접하면서 놓여있고, 시간 t(t≥0)가 지남에 따라 각 반구의 반지름 r1이 1−t로, r2가 2−3t로 변한다. 여기서 항상 두 밑면은 평행하지만 [그림 2]처럼 얼음 반구와 눈 반구의 공통 부분이 생긴다고 하자. 이때 얼음 반구는 항상 반구의 형태를 유지하지만, 눈 반구에서는 공통 부분에 해당하는 부분이 계속 녹아 없어진다. 두 반구의 밑면 사이의 거리와 r2의 차를 d라 하고, d는 시간 t에 따라 변하는 일차식 d=t로 주어진다고 하자. 두 반구의 밑면의 중심을 지나는 평면으로 자른 단면은 각각 반원(밑변 포함)으로 둘러싸인 영역으로 [그림 3]과 같다. 입체를 옆에서 관찰하였을 때, 얼음과 눈으로 구분되어 보이는 경계 부분에서 얼음 반구의 최고점까지의 높이를 x, 눈 반구의 밑면으로부터 그 경계까지의 높이를 y라고 하자. 즉, [그림 3]에서와 같이, 두 반원(밑변 포함)의 교점과 아래 반원의 밑변 사이의 거리가 y, 전체 도형의 높이에서 y를 뺀 것이 x이다. 단, 눈으로 이루어진 부분이 남아 있을 때에만 d와 x, y를 정의한다. (상황 1은 모든 t에 대해 d=0인 경우에 해당한다.)
[논제 I-1] 상황 1에서 제시된 입체의 부피를 V0이라 하자. 두 반구가 모두 녹아 없어질 때까지의 입체의 부피 V0를 t의 식으로 표현하고, 그 근거를 논술하시오. (5점)
[논제 I-2] 상황 2에서 눈으로 이루어진 부분이 완전히 녹아 없어질 때의 시각을 t0이라 하자. x와 y를 t의 함수로 표현하고, t0과 t→t0−0limx, t→t0−0limy를 구하시오. 그리고 그 근거를 논술하시오. (20점)
[논제 I-3] 상황 2에서 제시된 입체의 부피를 V라 하고, V가 0이 되는 시각을 t1이라 하자. 이때, t1을 구하고 0≤t≤t1에서의 V를 r1, r2, x, y를 이용하여 표현하시오. 그리고 그 근거를 논술하시오. (V는 시간의 구간마다 다르게 표현될 수 있고, 각 변수는 정의되는 범위에서만 이용한다.) (15점)
[논제 I-4] V0와 V를 각각 [논제 I-1]과 [논제 I-3]에서 구한 입체의 부피라 하고, t1을 [논제 I-3]에서의 V가 0이 되는 시각이라고 하자. 이때, 제시문 [라]와 [마]를 참조하여 구간 [0,t1]에서 V0−V의 값이 최대가 되는 시각을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (20점)
해설강의 준비중
경희대 2016학년도 수시 의학계 1번 · mathesis.kr/archive/khu/2016su/uihak_1
[논제 I-1]
구간 0≤t<32에서 각 반구의 부피가 32πr13, 32πr23이므로, 입체의 부피 V0는 다음과 같다.
V0=32π(r13+r23)=32π((1−t)3+(2−3t)3)
그러나 구간 32≤t≤1에서는 아래 반구가 없어지므로, 입체의 부피는 V0=32πr13=32π(1−t)3 이다. 이를 종합하면, 입체의 부피 V0는 아래와 같다.
이고, 눈으로 이루어진 부분이 완전히 녹아 없어질 때의 시각은 t0=21이고, 이때 x와 y의 좌극한은 t→t0−0limx=t→t0−0limy=41이다.
[논제 I-3]
[논제 I-2]의 해설처럼 t=1이후에는 두 반구 모두 녹아 없어지므로 t1=1이다. 편의상, 0≤t<21인 경우에 얼음과 눈으로 구분되어 보이는 경계를 반구의 밑면과 평행한 단면으로 자르면 각각 높이가 x, y인 두 개의 입체를 생각할 수 있다. 이때 높이를 x로 갖는 입체의 부피를 V1, 높이를 y로 갖는 입체의 부피를 V2라 하자.
(i) 0≤t≤41인 경우, V1은 반지름이 r1인 반구의 부피이므로 V1=32πr13이고, V2는 높이가 r22−u2, (0≤u≤y)인 평면도형의 u축에 대한 회전체의 부피이므로 V2=π(r22y−31y3)이다. 따라서 이때 구하고자 하는 부피 V는 다음과 같다.
V=V1+V2=π(32r13+r22y−31y3)
(ii)41<t<21인 경우, V1은 높이가 r12−u2, (r1−x≤u≤r1)인 평면도형의 u축에 대한 회전체의 부피이므로 V1=32πr13−π(r12(r1−x)−31(r1−x)3)이고, V2는 위에서처럼 V2=π(r22y−31y3)으로 표현된다. 따라서 구하고자 하는 부피 V는 다음과 같다.
(ii)41<t<21인 경우, Vd=π(32r13+32r23−r1x2+31x3−r22y+31y3)이 되고, dtdr1=−1, dtdr2=−3, dtdx=−2, dtdy=−3이므로, 합성함수의 미분법을 사용하여 Vd를 t로 미분하면 다음과 같다.