수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

[논제 Ⅰ](1) 정적분을 활용하여 넓이 A\displaystyle AB\displaystyle B를 다음과 같이 구할 수 있다.A=a312(a+2b),B=b312(2a+b)\displaystyle A=\frac{a^3}{12}(a+2b),\quad B=\frac{b^3}{12}(2a+b)

(2) 넓이 A\displaystyle AB\displaystyle BB=2A\displaystyle B=2A를 만족하면 다음을 얻는다.b3(2a+b)=2a3(a+2b)\displaystyle b^3(2a+b)=2a^3(a+2b)이를 다음과 같이 정리할 수 있다.(ba)4+2(ba)34(ba)2=0\displaystyle \left(\frac ba\right)^4+2\left(\frac ba\right)^3-4\left(\frac ba\right)-2=0또는2(ab)4+4(ab)32(ab)1=0\displaystyle 2\left(\frac ab\right)^4+4\left(\frac ab\right)^3-2\left(\frac ab\right)-1=0함수 g(x)=x4+2x34x2\displaystyle g(x)=x^4+2x^3-4x-2를 생각하자. 그러면 g(1)=3<0\displaystyle g(1)=-3<0이고 g(2)=22>0\displaystyle g(2)=22>0이므로 사잇값 정리에 의해 g(c)=0\displaystyle g(c)=0c\displaystyle c가 열린구간 (1,2)\displaystyle (1,2)에 적어도 하나 존재한다. 따라서,1<ba<2\displaystyle 1<\frac ba<2를 만족하는 a\displaystyle ab\displaystyle b가 존재한다. 다음으로,ba2\displaystyle \frac ba\ge2a\displaystyle ab\displaystyle b가 존재하는지 생각해 보자. 함수 g(x)=x4+2x34x2\displaystyle g(x)=x^4+2x^3-4x-2의 도함수 g(x)=4x3+6x24\displaystyle g^{\prime}(x)=4x^3+6x^2-4를 생각하자. 그러면, g(2)=22>0\displaystyle g(2)=22>0이고, x2\displaystyle x\ge2에 대해서g(x)=4x3+6x2432+244=52>0\displaystyle g^{\prime}(x)=4x^3+6x^2-4\ge32+24-4=52>0이므로, 함수 g(x)=x4+2x34x2\displaystyle g(x)=x^4+2x^3-4x-2x2\displaystyle x\ge2에서 x\displaystyle x축과 만나지 않는다. 따라서, 방정식 g(x)=0\displaystyle g(x)=0x2\displaystyle x\ge2에서 근을 가지지 않고, ba2\displaystyle \frac ba\ge2를 만족하는 a\displaystyle ab\displaystyle b는 존재하지 않는다. 다음으로,ab1\displaystyle \frac ab\ge1a\displaystyle ab\displaystyle b가 존재하는지 생각해 보자. 함수 h(x)=2x4+4x32x1\displaystyle h(x)=2x^4+4x^3-2x-1을 생각하고, 그것의 도함수 h(x)=8x3+12x22\displaystyle h^{\prime}(x)=8x^3+12x^2-2를 생각하자. 그러면 h(1)=3>0\displaystyle h(1)=3>0이고, x1\displaystyle x\ge1에 대해서h(x)=8x3+12x228+122=18>0\displaystyle h^{\prime}(x)=8x^3+12x^2-2\ge8+12-2=18>0이므로, 함수 h(x)=2x4+4x32x1\displaystyle h(x)=2x^4+4x^3-2x-1x1\displaystyle x\ge1에서 x\displaystyle x축과 만나지 않는다. 따라서 h(x)=0\displaystyle h(x)=0x1\displaystyle x\ge1에서 근을 가지지 않고, ab1\displaystyle \frac ab\ge1을 만족하는 a\displaystyle ab\displaystyle b는 존재하지 않는다. 결국, 넓이 A\displaystyle AB\displaystyle BB=2A\displaystyle B=2A를 만족하면 a<b<2a\displaystyle a<b<2a이다.

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