수리논술, 이게 다다.

자연계열 (일요일) 1번

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문제

[가](1) 좌표평면 위의 한 점 A(x1,y1)\displaystyle {\mathrm{A}} \left( x_{1} , y_{1} \right)을 지나고 기울기가 m\displaystyle m인 직선의 방정식은 y−y1=m(x−x1)\displaystyle y - y_{1} = m ( x - x_{1} )이다.(2) 중심이 (a,b)\displaystyle \left( a , b \right)이고 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원의 방정식은 (x−a)2+(y−b)2=r2\displaystyle ( x - a )^{2} + ( y - b )^{2} = r^{2}이다.[나]x\displaystyle x의 값이 a\displaystyle a보다 크면서 a\displaystyle a에 한없이 가까워질 때, 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 값이 일정한 값 L\displaystyle L에 한없이 가까워지는 것을 기호로 lim⁡x→a+f(x)=L\displaystyle \lim_{x \to a +} f ( x ) = L과 같이 나타내고, L\displaystyle L을 x=a\displaystyle x = a에서의 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 우극한이라고 한다. 또, x\displaystyle x의 값이 a\displaystyle a보다 작으면서 a\displaystyle a에 한없이 가까워질 때, 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 값이 일정한 값 M\displaystyle M에 한없이 가까워지는 것을 기호로 lim⁡x→a−f(x)=M\displaystyle \lim_{x \to a -} f ( x ) = M과 같이 나타내고, M\displaystyle M을 x=a\displaystyle x = a에서의 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 좌극한이라고 한다.[다]함수 f(x)\displaystyle f ( x )가 어떤 구간에서 미분가능하고, 이 구간의 모든 x\displaystyle x에 대하여(1) f′(x)>0\displaystyle f^{\prime} ( x ) > 0이면 f(x)\displaystyle f ( x )는 그 구간에서 증가한다.(2) f′(x)<0\displaystyle f^{\prime} ( x ) < 0이면 f(x)\displaystyle f ( x )는 그 구간에서 감소한다.[라]미분가능한 두 함수 y=f(u)\displaystyle y = f ( u ), u=g(x)\displaystyle u = g ( x )에 대하여 합성함수 y=f(g(x))\displaystyle y = f ( g ( x ) )를 미분하면dydx=dydu⋅dudx\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx} 또는 {f(g(x))}′=f′(g(x))g′(x)\displaystyle \{f(g(x))\}^{\prime}=f^{\prime}(g(x))g^{\prime}(x)이다.[마]함수 y=xn\displaystyle y = x^{n}(n\displaystyle n은 실수)의 부정적분(1) n≠−1\displaystyle n\ne-1일 때, ∫xn dx=1n+1xn+1+C\displaystyle \int x^n\,dx=\frac1{n+1}x^{n+1}+C(2) n=−1\displaystyle n = - 1일 때, ∫xndx=ln⁡∣x∣+C\displaystyle \int x^{n} d x = \ln | x | + C(단, C\displaystyle C는 상수)

[논제 Ⅰ] 제시문 [가]~[마]를 읽고 다음 질문에 답하시오.0<p≤1\displaystyle 0 < p \le 1일 때, 점 A(p,1p)\displaystyle \mathrm{A} \left( p , \frac{1}{p} \right)은 곡선 y=1x\displaystyle y = \frac{1}{x} (x>0)\displaystyle \left( x > 0 \right) 위의 점이다. 이때, 점 A\displaystyle \mathrm{A}에서 y=1x\displaystyle y = \frac{1}{x}과 접하는 원 중에서 y\displaystyle y축에도 접하는 원의 중심을 C(a,b)\displaystyle \mathrm{C} \left( a , b \right)라 하자. 0<a<p\displaystyle 0 < a < p일 때, 다음 물음에 답하시오.

곡선 y=1/x와 y축에 접하는 원

[논제 Ⅰ-1]p=1\displaystyle p = 1일 때, 직선 x=1\displaystyle x = 1에 의하여 나누어지는 원의 두 부분 중에서 작은 부분의 넓이를 구하고, 그 근거를 논술하시오. (10점)

[논제 Ⅰ-2]a\displaystyle a와 b\displaystyle b를 p\displaystyle p에 관한 함수 a=f(p)\displaystyle a = f ( p )와 b=g(p)\displaystyle b = g ( p )로 나타내고, 그 근거를 논술하시오. (15점)

[논제 Ⅰ-3]함수 h(p)=f(p)g(p)\displaystyle h ( p ) = f ( p ) g ( p )라 할 때,

(1) h(p)\displaystyle h ( p )가 0<p<1\displaystyle 0 < p < 1에서 증가하는지 감소하는지를 조사하고, 그 근거를 논술하시오. (15점)

(2) p=0\displaystyle p = 0에서의 h(p)\displaystyle h ( p )의 우극한이 존재하면 그 값을 구하고, 그 과정을 서술하시오. 만일, 우극한이 존재하지 않는다면, 그 근거를 논술하시오. (5점)

[논제 Ⅰ-4]직선 x=a\displaystyle x = a, 곡선 y=1x\displaystyle y = \frac{1}{x}과 선분 AC\displaystyle \mathrm{AC}로 둘러싸인 도형의 넓이를 p\displaystyle p에 관한 함수 S(p)\displaystyle S ( p )라 하자. p=0\displaystyle p = 0에서의 S(p)\displaystyle S ( p )의 우극한을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (15점)

해설강의 준비중
p=1일 때의 원과 활꼴 CAD
+4점 · 원의 반지름을 구할 수 있다.

[논제 Ⅰ-1]p=1\displaystyle p = 1이면, 그림에서와 같이 원이 y=1x\displaystyle y = \frac{1}{x}과 (1,1)\displaystyle \left( 1 , 1 \right)에서 접하고, x\displaystyle x축과 y\displaystyle y축에 동시에 접한다. 원의 반지름을 r\displaystyle r이라고 하면, OC‾=2r\displaystyle \overline{\mathrm{OC}} = \sqrt{2} r이고, CA‾=r\displaystyle \overline{\mathrm{CA}} = r이므로, 2r+r=2\displaystyle \sqrt{2} r + r = \sqrt{2}를 만족하기 때문에, r=2−2\displaystyle r = 2 - \sqrt{2}이다.

+6점 · 도형의 넓이를 계산할 수 있다.

한편, 점 A\displaystyle \mathrm{A}를 지나고 x\displaystyle x축에 수직인 직선을 그렸을 때, 원과 만나는 점을 D\displaystyle \mathrm{D}라고 하자. 그러면, 구하려는 부분의 넓이는 부채꼴 CAD\displaystyle \mathrm{CAD}의 넓이에서 삼각형 ACD\displaystyle \mathrm{ACD}의 넓이를 빼면 된다. ∠ACD\displaystyle \angle \mathrm{ACD}는 π2\displaystyle \frac{\pi}{2}, 반지름은 2−2\displaystyle 2 - \sqrt{2}인 부채꼴 CDA\displaystyle \mathrm{CDA}의 넓이는 12(2−2)2×π2=π2(3−22)\displaystyle \frac{1}{2} ( 2 - \sqrt{2} )^{2} \times \frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{2} ( 3 - 2 \sqrt{2} )이고, ∠ACD\displaystyle \angle \mathrm{ACD}는 π2\displaystyle \frac{\pi}{2}, AC‾=CD‾=2−2\displaystyle \overline{\mathrm{AC}} = \overline{\mathrm{CD}} = 2 - \sqrt{2}인 삼각형 ACD\displaystyle \mathrm{ACD}의 넓이는 12×(2−2)2=3−22\displaystyle \frac{1}{2} \times ( 2 - \sqrt{2} )^{2} = 3 - 2 \sqrt{2}이다.따라서 구하려는 부분의 넓이는 (π2−1)(3−22)\displaystyle \left( \frac{\pi}{2} - 1 \right) \left( 3 - 2 \sqrt{2} \right)이다.

+9점 · 곡선의 접선으로부터 원의 중심에 대한 방정식을 구할 수 있다.

[논제 Ⅰ-2]접점 A=(p,1p)\displaystyle \mathrm{A} = \left( p , \frac{1}{p} \right)와 원의 중심 C(a,b)\displaystyle \mathrm{C} \left( a , b \right)에 대하여, 점 A\displaystyle \mathrm{A}, C\displaystyle \mathrm{C}를 지나는 직선과 점 A\displaystyle \mathrm{A}에서의 접선은 수직이다. 접선의 기울기는 −1p2\displaystyle - \frac{1}{p^{2}}이므로, 선분 AC\displaystyle \mathrm{AC}의 기울기는 p2\displaystyle p^{2}이다. 따라서 원의 중심의 좌표 (a,b)\displaystyle \left( a , b \right)는 다음 식을 만족한다.b−1pa−p=p2\displaystyle \frac{b-\frac1p}{a-p}=p^2 …… (1)원이 y\displaystyle y축에 접하므로 원의 반지름이 a\displaystyle a이다. 따라서 AC‾=a\displaystyle \overline{\mathrm{AC}} = a이므로, 다음 식을 만족한다.(a−p)2+(b−1p)2=a2\displaystyle ( a - p )^{2} + \left( b - \frac{1}{p} \right)^{2} = a^{2}……(2)(1)과 (2)로부터,(1+p4)(a−p)2=a2\displaystyle ( 1 + p^{4} ) ( a - p )^{2} = a^{2}……(3)

+6점 · 원의 위치에 관한 조건으로부터 원의 중심의 좌표를 구할 수 있다.

이다. (3)으로부터 1+p4(a−p)=a\displaystyle \sqrt{1 + p^{4}} ( a - p ) = a 또는 1+p4(a−p)=−a\displaystyle \sqrt{1 + p^{4}} ( a - p ) = - a이다.a=p1+p41+p4−1\displaystyle a = \frac{{p \sqrt{1 + p^{4}}}}{\sqrt{1 + p^{4}} - 1} 또는 a=p1+p41+p4+1\displaystyle a = \frac{{p \sqrt{1 + p^{4}}}}{\sqrt{1 + p^{4}} + 1}에서, a<p\displaystyle a < p이므로, a=p1+p41+p4+1\displaystyle a = \frac{{p \sqrt{1 + p^{4}}}}{\sqrt{1 + p^{4}} + 1}이다.이를 (1)에 대입하면, b=p2(a−p)+1p=p2(p1+p41+p4+1−p)+1p\displaystyle b = p^{2} ( a - p ) + \frac{1}{p} = p^{2} \left( \frac{{p \sqrt{1 + p^{4}}}}{\sqrt{1 + p^{4}} + 1} - p \right) + \frac{1}{p}=2−1+p4p\displaystyle = \frac{{2 - \sqrt{1 + p^{4}}}}{p}이다.따라서 f(p)=p1+p41+p4+1\displaystyle f ( p ) = \frac{{p \sqrt{1 + p^{4}}}}{\sqrt{1 + p^{4}} + 1}이고, g(p)=2−1+p4p\displaystyle g ( p ) = \frac{{2 - \sqrt{1 + p^{4}}}}{p}이다.

+5점 · 주어진 함수를 합성함수의 형태로 나타낼 수 있다.

[논제 Ⅰ-3](1) [논제 Ⅰ-2]에서 h(p)=f(p)g(p)=1+p4(2−1+p4)1+p4+1\displaystyle h ( p ) = f ( p ) g ( p ) = \frac{{\sqrt{1 + p^{4}} ( 2 - \sqrt{1 + p^{4}} )}}{\sqrt{1 + p^{4}} + 1}이다.이때, t=1+p4\displaystyle t=\sqrt{1+p^4}라 하면 h(p)=t(2−t)t+1\displaystyle h(p)=\frac{t(2-t)}{t+1}이고 이를 H(t)\displaystyle H(t)라 하자.

+10점 · 합성함수의 미분과 도함수의 부호로부터 함수의 증가, 감소를 판단할 수 있다.

합성함수의 미분법에 의해서h′(p)=H′(t)×2p31+p4\displaystyle h^{\prime} ( p ) = H^{\prime} ( t ) \times \frac{{2 p^{3}}}{\sqrt{1 + p^{4}}}이고,H′(t)=(t(2−t)t+1)′=−(t2+2t−2)(t+1)2\displaystyle H^{\prime}(t)=\left(\frac{t(2-t)}{t+1}\right)^{\prime}=-\frac{(t^2+2t-2)}{(t+1)^2}0<p<1\displaystyle 0 < p < 1이므로, 1<t<2\displaystyle 1 < t < \sqrt{2}이다. 따라서 t2+2t−2=(t+1)2−3>0\displaystyle t^{2} + 2 t - 2 = ( t + 1 )^{2} - 3 > 0이므로, h′(p)<0\displaystyle h^{\prime} ( p ) < 0이 되어 h(p)\displaystyle h ( p )가 0<p<1\displaystyle 0 < p < 1에서 감소한다.

+5점 · 주어진 함수의 우극한을 계산할 수 있다.

(2) p\displaystyle p에 대한 함수 1+p4(2−1+p4)1+p4+1\displaystyle \frac{{\sqrt{1 + p^{4}} ( 2 - \sqrt{1 + p^{4}} )}}{\sqrt{1 + p^{4}} + 1}는 모든 실수에서 연속이므로,lim⁡p→0+h(p)=lim⁡p→0+1+p4(2−1+p4)1+p4+1=1×(2−1)1+1=12\displaystyle \lim_{p\to0+}h(p)=\lim_{p\to0+}\frac{\sqrt{1+p^4}(2-\sqrt{1+p^4})}{\sqrt{1+p^4}+1}=\frac{1\times(2-1)}{1+1}=\frac12따라서 p=0\displaystyle p = 0에서의 h(p)\displaystyle h ( p )의 우극한이 존재하고, 우극한은 12\displaystyle \frac{1}{2}이다.

+10점 · 제시된 영역의 넓이를 함수로 표현할 수 있다.

[논제 Ⅰ-4]A\displaystyle \mathrm{A}와 C\displaystyle \mathrm{C}에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 각각 A′\displaystyle \mathrm{A}^{\prime}과 C′\displaystyle \mathrm{C}^{\prime}이라고 하자. 그러면, 구하는 도형의 넓이는 ∫f(p)p1xdx\displaystyle \int_{f ( p )}^{p} \frac{1}{x} d x에서 사다리꼴 ACC′A′\displaystyle \mathrm{ACC}^{\prime} \mathrm{A}^{\prime}의 넓이를 빼면 된다. 사다리꼴 ACC′A′\displaystyle \mathrm{ACC}^{\prime} \mathrm{A}^{\prime}의 넓이는12(CC′‾+AA′‾)×C′A′‾=12(g(p)+1p)×(p−f(p))\displaystyle \frac12(\overline{CC^{\prime}}+\overline{AA^{\prime}})\times\overline{C^{\prime}A^{\prime}}=\frac12\left(g(p)+\frac1p\right)\times(p-f(p))이다. 따라서S(p)=ln⁡pf(p)−12(pg(p)−f(p)g(p)+1−f(p)p)\displaystyle S(p)=\ln\frac p{f(p)}-\frac12\left(pg(p)-f(p)g(p)+1-\frac{f(p)}p\right)

+5점 · 함수의 우극한을 계산할 수 있다.

논제 [Ⅰ-2]에서 구한 f(p)\displaystyle f ( p )와 g(p)\displaystyle g ( p )의 식으로부터,lim⁡p→0+f(p)p=lim⁡p→0+1+p41+p4+1=12,lim⁡p→0+pg(p)=lim⁡p→0+(2−1+p4)=1,lim⁡p→0+f(p)g(p)=12\displaystyle \lim_{p\to0+}\frac{f(p)}p=\lim_{p\to0+}\frac{\sqrt{1+p^4}}{\sqrt{1+p^4}+1}=\frac12,\quad\lim_{p\to0+}pg(p)=\lim_{p\to0+}(2-\sqrt{1+p^4})=1,\quad\lim_{p\to0+}f(p)g(p)=\frac12이므로, lim⁡p→0+S(p)=ln⁡2−12\displaystyle \lim_{p\to0+}S(p)=\ln2-\frac12이 된다.

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