경희대 2019학년도 수시 의학계 1번 · mathesis.kr/archive/khu/2019su/uihak_1
문제
[가] 이차함수 의 그래프와 축의 교점의 좌표는 이차방정식 의 실근과 같다. 거꾸로 이차방정식 의 실근은 이차함수 의 그래프와 축의 교점의 좌표와 같다.[나] 함수 가 닫힌 구간 에서 연속이고 이면, 와 사이에 있는 임의의 값 에 대하여 인 가 열린 구간 에 적어도 하나 존재한다.[다] 를 포함하는 어떤 열린 구간에 속하는 모든 에 대하여 이면 함수 는 에서 극대라고 하며 를 극댓값이라고 한다.[라] 미분가능한 함수 에서 이고 의 좌우에서 의 부호가 양에서 음으로 바뀌면 는 에서 극대이고, 극댓값은 이다.[마] 닫힌 구간 의 임의의 점 에서 축에 수직인 평면으로 자른 단면의 넓이가 인 입체도형의 부피 는 (단, 는 구간 에서 연속)
[논제 Ⅰ] 제시문 [가]~[마]를 읽고 다음 질문에 답하시오.양의 상수 에 대하여 입체도형 는 [그림 1]에서처럼 평면으로 자른 단면이 과 축으로 둘러싸인 도형이다. 또한 좌표가 인 점을 지나 축에 수직인 평면으로 를 자르면 그 단면은 중심이 축 위에 있고 반지름의 길이가 인 원이다.

[논제 Ⅰ-1][그림 1]에서처럼 의 내부에 있으면서 밑면이 의 밑면과 평행한 원기둥 을 만들 때, 의 부피의 최댓값 을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (5점)
[논제 Ⅰ-2]의 부피를 라 할 때, 이라 하자. 다음 정적분를 구하고, 그 근거를 논술하시오. (15점)
[논제 Ⅰ-3]의 내부에 있으면서 밑면이 의 밑면과 평행한 두 원기둥을 [그림 2]에서처럼 쌓아서 만든 입체도형을 라 하자. 이때, 의 부피의 최댓값 를 구하고, 그 근거를 논술하시오. (20점)
[논제 Ⅰ-4][그림 2]에서처럼 의 내부에 있으면서 밑면이 의 밑면과 평행한 두 원기둥을 쌓아서 를 만들 때, 의 겉넓이의 최댓값이 존재하는 의 범위를 구하고, 그 근거를 논술하시오. (단, 의 겉넓이는 위 원기둥과 아래 원기둥의 표면의 겹쳐진 부분을 제외한 의 모든 표면의 넓이이다.) (20점)
경희대 2019학년도 수시 의학계 1번 · mathesis.kr/archive/khu/2019su/uihak_1
[논제 Ⅰ-1]원기둥 의 반지름의 길이를 이라 할 때, 의 범위는 이고 의 부피는 이다.
구간 에서 의 최댓값을 구하기 위해 방정식 의 해 를 구한다. 은 의 좌우에서 양에서 음으로 바뀌기 때문에, 의 부피의 최댓값 은 이다.
[논제 Ⅰ-2]의 부피 를 구하기 위해, 축과 축을 바꾸어서 입체도형 를 표현해 보자. 그러면 는 밑면의 중심을 축에 두었을 때, 축과 수직인 평면으로 자른 단면은 반지름의 길이가 인 원이다. 따라서 의 부피는그러므로 이다.
구하고자 하는 정적분을 라고 하면,이다. 이때, 로 치환하여 를 얻을 수 있고, 두 값을 더하면따라서 구하고자 하는 값 는 이다.
[논제 Ⅰ-3]

오른쪽 그림처럼 아래 원기둥의 반지름을 이라 하면, 아래 원기둥의 높이는 이다.그러면 위에 놓일 수 있는 원기둥 부피의 최댓값은 의 내부에 있는 원기둥 부피의 최댓값이다. 따라서 [논제 Ⅰ-1]의 결과에 의해 위 원기둥의 부피의 최댓값은 이다. 그러므로 의 부피의 최댓값은
의 최댓값과 같다.
구간 에서 함수 의 최댓값을 찾기 위해 방정식 을 풀면, 해 를 찾을 수 있다.함수 은 의 좌우에서 양에서 음으로 바뀌므로, 의 부피의 최댓값 는 이다.
[논제 Ⅰ-4]우선 의 내부에 있는 밑면의 반지름의 길이가 인 원기둥 중에서 옆면의 넓이의 최댓값을 라 하면, 는 의 최댓값이다. 따라서 구간 에서 방정식 의 해 를 찾고, 이 의 좌우에서 양에서 음으로 바뀜을 이용하여 의 최댓값이 임을 보인다.
그러면 의 아래 원기둥의 반지름을 이라 할 때, [논제 Ⅰ-3]의 그림처럼 아래 원기둥의 높이가 이므로 위 원기둥의 옆넓이의 최댓값은 의 내부에 있는 원기둥의 옆넓이의 최댓값 과 같다. 이를 이용하면 의 겉넓이의 최댓값은 에서 정의된 함수 의 최댓값과 같다.
그런데 의 도함수는 이고, 이 도함수는 절편이 이고 중심축의 좌표가 양수인 위로 볼록인 포물선이다. 라면, 구간 에서 가 되어 은 증가함수이므로 최댓값을 가질 수 없다. 한편, 이면, 이므로 제시문 [나]에 의해서 의 해가 구간 에서 존재함을 알 수 있고, 그때 은 구간 에서 최댓값을 갖는다. 따라서 을 만족시키는 를 구하면 된다. 즉, 을 만족하는 를 구한다. 이므로 부등식을 풀면 이다.
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