수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의학계 1번

문제

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해설강의 준비중

I-1. 원의 중심 O\displaystyle \mathrm{O}를 좌표평면의 원점으로 하고 아래 그림에서처럼 물의 수면이 y\displaystyle y축과 평행하다고 하자.

원의 일부에서 작은 원을 제외한 도형 S

도형 S\displaystyle S는 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원과 두 직선 x=r\displaystyle x=-r, x=h\displaystyle x=h로 둘러싸인 도형 S\displaystyle S^{\prime}에서 반지름의 길이가 h\displaystyle h인 원을 제외하여 얻어진다. <제시문 [바]>를 활용하면 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원의 위 곡선과 아래 곡선의 식은 각각 y=r2x2\displaystyle y=\sqrt{r^2-x^2}y=r2x2\displaystyle y=-\sqrt{r^2-x^2}이므로, <제시문 [가]>를 활용하면 도형 S\displaystyle S^{\prime}의 넓이는 rh2r2x2dx\displaystyle \int_{-r}^h2\sqrt{r^2-x^2}\,dx가 된다. 도형 S\displaystyle S의 넓이 A\displaystyle AS\displaystyle S^{\prime}의 넓이에서 반지름의 길이가 h\displaystyle h인 원의 넓이 πh2\displaystyle \pi h^2을 뺀 것이므로,A=rh2r2x2dxπh2=πh2+2rhr2x2dx\displaystyle A=\int_{-r}^h2\sqrt{r^2-x^2}\,dx-\pi h^2=-\pi h^2+2\int_{-r}^h\sqrt{r^2-x^2}\,dx.

Ⅰ-2. 도형 S\displaystyle S의 넓이 A\displaystyle Ah\displaystyle h에 대하여 미분하면dAdh=ddh(πh2+2rhr2x2dx)\displaystyle \frac{dA}{dh}=\frac d{dh}\left(-\pi h^2+2\int_{-r}^h\sqrt{r^2-x^2}\,dx\right)=2πh+2ddhrhr2x2dx\displaystyle =-2\pi h+2\frac d{dh}\int_{-r}^h\sqrt{r^2-x^2}\,dx이고, <제시문 [다]>를 활용하면dAdh=2πh+2r2h2\displaystyle \frac{dA}{dh}=-2\pi h+2\sqrt{r^2-h^2}이다.극값을 구하기 위한 식 dAdh=0\displaystyle \frac{dA}{dh}=0의 해는 h=±r1+π2\displaystyle h=\pm\frac r{\sqrt{1+\pi^2}}이고, h0\displaystyle h\ge0이므로 h=r1+π2\displaystyle h=\frac r{\sqrt{1+\pi^2}}이다. 만약 0h<r1+π2\displaystyle 0\le h<\frac r{\sqrt{1+\pi^2}}이면 dAdh=2πh+2r2h2>0\displaystyle \frac{dA}{dh}=-2\pi h+2\sqrt{r^2-h^2}>0이고, r1+π2<hr\displaystyle \frac r{\sqrt{1+\pi^2}}<h\le r이면 dAdh<0\displaystyle \frac{dA}{dh}<0이 되므로, <제시문 [라]>를 활용하면 A\displaystyle Ah=r1+π2\displaystyle h=\frac r{\sqrt{1+\pi^2}}에서 극댓값을 가진다.h\displaystyle h에 대한 A\displaystyle A는 닫힌 구간 [0,r]\displaystyle [ 0 , r ]에서 극값을 유일하게 극댓값 하나만 가지므로 <제시문 [마]>를 활용하면 A\displaystyle A의 그래프는 아래 그림과 같고 A\displaystyle Ah=r1+π2\displaystyle h = \frac{r}{\sqrt{1 + \pi^{2}}}에서 최댓값을 가진다.

h에 따른 넓이 A의 그래프

Ⅰ-3. 입체도형 P\displaystyle P는 원점을 중심으로 하고 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 구가 평면 x=h\displaystyle x = h에 의하여 잘려진 두 부분 중 큰 부분인 입체도형 P\displaystyle P^{\prime}에서 반지름의 길이가 h\displaystyle h인 구를 제외하여 얻어진다.

구를 평면 x=t로 자른 원형 단면

위 그림에서처럼 입체도형 P\displaystyle P^{\prime}가 평면 x=t\displaystyle x = t에 의하여 잘려진 단면 S(t)\displaystyle S ( t )는 반지름의 길이가 r2t2\displaystyle \sqrt{r^{2} - t^{2}}인 원이므로, 그 넓이는 π(r2t2)\displaystyle \pi ( r^{2} - t^{2} )이다. <제시문 [가]>를 활용하면 P\displaystyle P^{\prime}의 부피는Correction. 부피를 구하는 데 사용한 공식은 제시문 [가]가 아니라 [나]에 있다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

rhπ(r2t2)dt=[π(r2tt3/3)]t=rt=h=π(h33+r2h+2r33)\displaystyle \int_{-r}^h\pi(r^2-t^2)\,dt=\Biggl[\pi(r^2t-t^3/3)\Biggr]_{t=-r}^{t=h}=\pi\left(-\frac{h^3}3+r^2h+\frac{2r^3}3\right)이다. P\displaystyle P의 부피는 P\displaystyle P^{\prime}의 부피에서 반지름의 길이가 h\displaystyle h인 구의 부피를 뺀 것이므로 V=π(5h33+r2h+2r33)\displaystyle V = \pi \left( - 5 \frac{h^{3}}{3} + r^{2} h + 2 \frac{r^{3}}{3} \right)이다.

Ⅰ-4. V\displaystyle Vh\displaystyle h에 대하여 미분하면 dVdh=π(5h2+r2)\displaystyle \frac{dV}{dh} = \pi ( - 5 h^{2} + r^{2} )이고, 식 dVdh=0\displaystyle \frac{dV}{dh} = 0의 해는 h=±r5\displaystyle h = \pm \frac{r}{\sqrt{5}}이다. h0\displaystyle h \ge 0이므로 h=r5\displaystyle h = \frac{r}{\sqrt{5}}이 해가 된다. 만약 0h<r5\displaystyle 0 \le h < \frac{r}{\sqrt{5}}이면 dVdh>0\displaystyle \frac{dV}{dh} > 0이고, r5<hr\displaystyle \frac{r}{\sqrt{5}} < h \le r이면 dVdh<0\displaystyle \frac{dV}{dh} < 0이므로 <제시문[라]>를 활용하면 V\displaystyle Vh=r5\displaystyle h = \frac{r}{\sqrt{5}}에서 극댓값을 가진다. 논제 Ⅰ-2의 답안에서처럼 닫힌 구간 [0,r]\displaystyle [ 0 , r ]에서 V\displaystyle V가 극댓값만 유일하게 가지므로, <제시문 [마]>를 활용하여 아래와 같이 그래프를 살펴보면 V\displaystyle Vh=r5\displaystyle h = \frac{r}{\sqrt{5}}에서 최댓값 V=10+2515πr3\displaystyle V = \frac{{10 + 2 \sqrt{5}}}{15} \pi r^{3}를 가진다.

h에 따른 부피 V의 그래프

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