수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중
+7점 · 곡선 C\displaystyle C의 방정식 y=4x\displaystyle y=4\sqrt x를 잘 구할 수 있다.

Ⅲ-(1) 점 P의 좌표를 (x,y)\displaystyle (x,y)라고 하고, 점 P에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 Q라고 하면, 점 Q의 좌표는 (x,0)\displaystyle (x,0)이다. AP=4+x\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}=4+x이며 AQ=4x\displaystyle \overline{\mathrm{AQ}}=4-x이다.

곡선 C 위의 P(x,y)와 수선의 발 Q(x,0)

0<θ<π2\displaystyle 0<\theta<\frac\pi2에서 cosθ=4x4+x, y4+x=sinθ=1cos2θ=4x4+x\displaystyle \cos\theta=\frac{4-x}{4+x},\ \frac y{4+x}=\sin\theta=\sqrt{1-\cos^2\theta}=\frac{4\sqrt x}{4+x}이므로 곡선 C\displaystyle C의 방정식은 y=4x (0<x<4)\displaystyle y=4\sqrt x\ (0<x<4)이다. f(x)=4x\displaystyle f(x)=4\sqrt x라고 하자. 또한 위의 계산으로부터x=4(1cosθ)1+cosθ\displaystyle x=\frac{4(1-\cos\theta)}{1+\cos\theta} ------------------------- (*)

+7점 · 도형의 넓이를 잘 규명할 수 있다.

sinθ=45\displaystyle \sin\theta=\frac45θ\displaystyle \thetaα\displaystyle \alpha, sinθ=223\displaystyle \sin\theta=\frac{2\sqrt2}3θ\displaystyle \thetaβ\displaystyle \beta라고 하고 점 P1\displaystyle \mathrm P_1P2\displaystyle \mathrm P_2에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 각각 Q1\displaystyle \mathrm Q_1Q2\displaystyle \mathrm Q_2라고 하자. 두 선분 AP1, AP2\displaystyle \mathrm{AP}_1,\ \mathrm{AP}_2와 곡선 C\displaystyle C로 둘러싸인 도형의 넓이를 B\displaystyle B라고 하면,B=(도형 P2P1Q1Q2의 넓이)+(삼각형 AP2Q2의 넓이)(삼각형 AP1Q1의 넓이)\displaystyle B=(\text{도형 }\mathrm P_2P_1Q_1Q_2\text{의 넓이})+(\text{삼각형 }\mathrm{AP}_2\mathrm Q_2\text{의 넓이})-(\text{삼각형 }\mathrm{AP}_1\mathrm Q_1\text{의 넓이}) -- ()\displaystyle (\ast\ast)

두 선분 AP₁, AP₂와 곡선 C 사이의 영역
+6점 · 도형의 넓이 23(14213)\displaystyle \frac23(14\sqrt2-13)을 잘 계산한다.

0<θ<π2\displaystyle 0<\theta<\frac\pi2에서 sinθ\displaystyle \sin\theta는 증가함수이므로 0<αβ<π2\displaystyle 0<\alpha\le\beta<\frac\pi2이고, sinα=45, sinβ=223\displaystyle \sin\alpha=\frac45,\ \sin\beta=\frac{2\sqrt2}3이므로 cosα=35, cosβ=13\displaystyle \cos\alpha=\frac35,\ \cos\beta=\frac13이며, (*)로부터 점 Q1\displaystyle \mathrm Q_1Q2\displaystyle \mathrm Q_2x\displaystyle x좌표는 각각 1과 2이다.(도형 P2P1Q1Q2의 넓이)=12f(x)dx=124xdx=83(221)\displaystyle (\text{도형 }\mathrm P_2P_1Q_1Q_2\text{의 넓이})=\int_1^2f(x)\,dx=\int_1^24\sqrt x\,dx=\frac83(2\sqrt2-1)AQ2=2, P2Q2=f(2)=42\displaystyle \overline{\mathrm{AQ}_2}=2,\ \overline{\mathrm P_2Q_2}=f(2)=4\sqrt2에서, 삼각형 AP2Q2\displaystyle \mathrm{AP}_2\mathrm Q_2의 넓이는 42\displaystyle 4\sqrt2AQ1=3, P1Q1=f(1)=4\displaystyle \overline{\mathrm{AQ}_1}=3,\ \overline{\mathrm P_1Q_1}=f(1)=4에서, 삼각형 AP1Q1\displaystyle \mathrm{AP}_1\mathrm Q_1의 넓이는 6따라서 ()\displaystyle (\ast\ast)에 의해 B=83(221)+426=23(14213)\displaystyle B=\frac83(2\sqrt2-1)+4\sqrt2-6=\frac23(14\sqrt2-13)

+5점 · 접선의 방정식 y=2ax+2a\displaystyle y=\frac2{\sqrt a}x+2\sqrt a을 잘 구할 수 있다.

Ⅲ-(2) 곡선 C\displaystyle C의 방정식 y=f(x)=4x\displaystyle y=f(x)=4\sqrt x에 의하여 f(x)=2x\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac2{\sqrt x}이므로, 곡선 위의 점 P(a,4a)\displaystyle \mathrm P(a,4\sqrt a)에서 곡선에 접하는 접선 l\displaystyle l의 방정식은 y=2ax+2a\displaystyle y=\frac2{\sqrt a}x+2\sqrt a이다.h(x)=2ax+2a\displaystyle h(x)=\frac2{\sqrt a}x+2\sqrt a라고 하자.

+5점 · 도형의 넓이 g(a)=8a+16a643\displaystyle g(a)=8\sqrt a+\frac{16}{\sqrt a}-\frac{64}3를 잘 구할 수 있다.

접선 l\displaystyle ly\displaystyle y축과 만나는 점을 L, 접선 l\displaystyle l이 직선 x=4\displaystyle x=4와 만나는 점을 M, 곡선 C\displaystyle C가 직선 x=4\displaystyle x=4와 만나는 점을 N이라고 하자. 도형 S\displaystyle S의 넓이를 g(a)\displaystyle g(a)라 하면g(a)=(사다리꼴 LOAM의 넓이)(도형 OAN의 넓이)\displaystyle g(a)=(\text{사다리꼴 LOAM의 넓이})-(\text{도형 OAN의 넓이})한편, (사다리꼴 LOAM의 넓이)=04h(x)dx=8a+16a\displaystyle (\text{사다리꼴 LOAM의 넓이})=\int_0^4h(x)\,dx=8\sqrt a+\frac{16}{\sqrt a}(도형 OAN의 넓이)=044xdx=643\displaystyle (\text{도형 OAN의 넓이})=\int_0^44\sqrt x\,dx=\frac{64}3이므로g(a)=8a+16a643\displaystyle g(a)=8\sqrt a+\frac{16}{\sqrt a}-\frac{64}3

+7점 · 넓이의 최솟값 g(2)=16(243)\displaystyle g(2)=16\left(\sqrt2-\frac43\right)을 구한다.

따라서 도형 S\displaystyle S의 넓이의 최솟값은 0<a<4\displaystyle 0<a<4에서 함수 g(a)\displaystyle g(a)의 최솟값이다.g(a)=4aa(a2)\displaystyle g^{\prime}(a)=\frac4{a\sqrt a}(a-2)이며, g(a)=0\displaystyle g^{\prime}(a)=0인 경우는 a=2\displaystyle a=2이다.a<2\displaystyle a<2이면 g(a)<0\displaystyle g^{\prime}(a)<0이고 a>2\displaystyle a>2이면 g(a)>0\displaystyle g^{\prime}(a)>0이므로 g(a)\displaystyle g(a)a=2\displaystyle a=2일 때 최솟값을 가진다.도형 S\displaystyle S의 넓이의 최솟값은 g(2)=16(243)\displaystyle g(2)=16\left(\sqrt2-\frac43\right)이다.

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