수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 A 2번

문제

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해설강의 준비중

[문제 2-1] 답: 22\displaystyle 2\sqrt2

[풀이]

곡선 y=ex1+2\displaystyle y=e^{x-1}+2와 곡선 y=1+ln(x2)\displaystyle y=1+\ln(x-2)는 직선 y=x\displaystyle y=x에 대하여 대칭이고, 직선 l\displaystyle l은 기울기가 1\displaystyle -1이므로 직선 y=x\displaystyle y=x에 수직이다. 따라서 점 A\displaystyle A의 좌표가 (x,ex1+2)\displaystyle (x,e^{x-1}+2)일 때, 점 B\displaystyle B의 좌표는 (ex1+2,x)\displaystyle (e^{x-1}+2,x)이다. 이 때AB=(xex12)2+(ex1+2x)2=2(ex1x+2)\displaystyle \overline{AB}=\sqrt{(x-e^{x-1}-2)^2+(e^{x-1}+2-x)^2}=\sqrt2(e^{x-1}-x+2)이다.f(x)=2(ex1x+2)\displaystyle f(x)=\sqrt2(e^{x-1}-x+2)라 하자. f(x)=2(ex11)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=\sqrt2(e^{x-1}-1)=0을 풀어 x=1\displaystyle x=1을 얻는다. f(x)=2ex1\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=\sqrt2e^{x-1}이고, f(1)=2>0\displaystyle f^{\prime\prime}(1)=\sqrt2>0이므로 f(x)\displaystyle f(x)x=1\displaystyle x=1에서 최솟값을 갖는다. 따라서 AB\displaystyle \overline{AB}의 최솟값은 f(1)=22\displaystyle f(1)=2\sqrt2이다.

지수함수 위의 점 A와 로그함수 위의 점 B

[문제 2-2] 답: 32\displaystyle \frac32

[풀이]

D\displaystyle D의 좌표를 (a,a+t)\displaystyle (a,-a+t) (또는 (a,(a1)13)\displaystyle (a,(a-1)^{\frac13}))라 하면, (a1)13=a+t\displaystyle (a-1)^{\frac13}=-a+t이다. 이 때 점 F\displaystyle F의 좌표는 (a,0)\displaystyle (a,0)이고, 따라서 정사각형 OFGE\displaystyle OFGE의 넓이는 a2\displaystyle a^2이다.

x\displaystyle x축, 직선 DF\displaystyle DF, 곡선 y=(x1)13\displaystyle y=(x-1)^{\frac13}으로 둘러싸인 정사각형 OFGE\displaystyle OFGE 내부의 영역의 넓이는 1a(x1)13dx\displaystyle \int_1^a(x-1)^{\frac13}dx이다. 곡선 y=x3+1\displaystyle y=x^3+1과 곡선 y=(x1)13\displaystyle y=(x-1)^{\frac13}은 직선 y=x\displaystyle y=x에 대하여 대칭이므로 이 넓이는 y\displaystyle y축, 직선 CE\displaystyle CE, 곡선 y=x3+1\displaystyle y=x^3+1으로 둘러싸인 정사각형 OFGE\displaystyle OFGE 내부의 영역의 넓이와 같다. 따라서 S(t)=a221a(x1)13dx\displaystyle S(t)=a^2-2\int_1^a(x-1)^{\frac13}dx이다. (이 때 (a1)13=a+t\displaystyle (a-1)^{\frac13}=-a+t이다.)

1a(x1)13dx=[34(x1)43]1a=34(a1)43\displaystyle \int_1^a(x-1)^{\frac13}dx=\Biggl[\frac34(x-1)^{\frac43}\Biggr]_1^a=\frac34(a-1)^{\frac43}이므로,S(t)=a232(a1)43\displaystyle S(t)=a^2-\frac32(a-1)^{\frac43}이다. 합성함수의 미분법에 의하여S(t)=2adadt3243(a1)13dadt=2adadt2(a1)13dadt\displaystyle S^{\prime}(t)=2a\frac{da}{dt}-\frac32\cdot\frac43(a-1)^{\frac13}\frac{da}{dt}=2a\frac{da}{dt}-2(a-1)^{\frac13}\frac{da}{dt}이다.

(a1)13=a+t\displaystyle (a-1)^{\frac13}=-a+t이므로 t=3\displaystyle t=3일 때 a1=(3a)3\displaystyle a-1=(3-a)^3이고 따라서a39a2+28a28=(a2)(a27a+14)=0\displaystyle a^3-9a^2+28a-28=(a-2)(a^2-7a+14)=0이다. a27a+14>0\displaystyle a^2-7a+14>0이므로 t=3\displaystyle t=3일 때 a=2\displaystyle a=2를 얻는다.(a1)13=a+t\displaystyle (a-1)^{\frac13}=-a+t이므로 t=(a1)13+a\displaystyle t=(a-1)^{\frac13}+a이고 dtda=13(a1)23+1\displaystyle \frac{dt}{da}=\frac13(a-1)^{-\frac23}+1이다. t=3\displaystyle t=3일 때 a=2\displaystyle a=2이므로 dtda=43\displaystyle \frac{dt}{da}=\frac43이다.역함수의 미분법에 의하여 t=3\displaystyle t=3일 때 dadt=1dtda=34\displaystyle \frac{da}{dt}=\frac1{\frac{dt}{da}}=\frac34이다.

따라서 S(3)=22342(21)1334=332=32\displaystyle S^{\prime}(3)=2\cdot2\cdot\frac34-2\cdot(2-1)^{\frac13}\cdot\frac34=3-\frac32=\frac32이다.

정사각형에서 두 곡선 바깥 부분을 뺀 영역
하위 문항채점 기준배점
2-1F: 답안이 공란이거나 문제와 관련없는 내용을 적음20
2-1E: 곡선 y=ex1+2\displaystyle y=e^{x-1}+2와 곡선 y=1+ln(x2)\displaystyle y=1+\ln(x-2)가 직선 y=x\displaystyle y=x에 대하여 대칭임을 적음20
2-1D: 점 A\displaystyle A의 좌표가 (x,ex1+2)\displaystyle (x,e^{x-1}+2)일 때, 점 B\displaystyle B의 좌표는 (ex1+2,x)\displaystyle (e^{x-1}+2,x)임을 적음20
2-1C: D와 더불어 AB=2(ex1x+2)\displaystyle \overline{AB}=\sqrt2(e^{x-1}-x+2)를 구함20
2-1B: C와 더불어 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)를 계산하였으나 틀림20
2-1B+: C와 더불어 f(x)=2(ex11)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=\sqrt2(e^{x-1}-1)=0을 풀어 x=1\displaystyle x=1을 얻음20
2-1A: B+와 더불어 f(1)=2>0\displaystyle f^{\prime\prime}(1)=\sqrt2>0을 적음20
2-1A+: A와 더불어 f(1)22\displaystyle f(1)2\sqrt2를 구함20
2-2F: 답안이 공란이거나 문제와 관련없는 내용을 적음25
2-2E: x\displaystyle x축, 직선 DF\displaystyle DF, 곡선 y=(x1)13\displaystyle y=(x-1)^{\frac13}으로 둘러싸인 정사각형 OFGE\displaystyle OFGE 내부의 영역의 넓이가 1a(x1)13dx\displaystyle \int_1^a(x-1)^{\frac13}dx임을 적음25
2-2D: S(t)=a221a(x1)13dx\displaystyle S(t)=a^2-2\int_1^a(x-1)^{\frac13}dx를 구함25
2-2C: D와 더불어 S(t)=a232(a1)43\displaystyle S(t)=a^2-\frac32(a-1)^{\frac43}를 구함25
2-2B: C와 더불어 S(t)=2adadt2(a1)13dadt\displaystyle S^{\prime}(t)=2a\frac{da}{dt}-2(a-1)^{\frac13}\frac{da}{dt}를 구함25
2-2B+: B와 더불어 dtda=13(a1)23+1\displaystyle \frac{dt}{da}=\frac13(a-1)^{-\frac23}+1를 구함25
2-2A: B+와 더불어 dadt=34\displaystyle \frac{da}{dt}=\frac34를 구함25
2-2A+: A와 더불어 S(3)=32\displaystyle S^{\prime}(3)=\frac32을 구함25

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