(a)
( n + 1 , 0 ) \displaystyle (n+1,0) ( n + 1 , 0 ) 을 지나는 직선이 y = x n \displaystyle y=x^n y = x n 과 수직으로 만나는 점을 ( k , k n ) \displaystyle (k,k^n) ( k , k n ) 이라 하자. 이 때 ( k , k n ) \displaystyle (k,k^n) ( k , k n ) 에서의 접선의 기울기는 n k n − 1 \displaystyle nk^{n-1} n k n − 1 . (∵ y ′ = n x n − 1 \displaystyle \because y^{\prime}=nx^{n-1} ∵ y ′ = n x n − 1 )이다.
∵ k n k − n − 1 × n ⋅ k n − 1 = − 1 \displaystyle \because\frac{k^n}{k-n-1}\times n\cdot k^{n-1}=-1 ∵ k − n − 1 k n × n ⋅ k n − 1 = − 1
n ⋅ k 2 n − 1 = n + 1 − k \displaystyle n\cdot k^{2n-1}=n+1-k n ⋅ k 2 n − 1 = n + 1 − k
n ⋅ k 2 n − 1 + k = n + 1 -(ㄱ) \displaystyle n\cdot k^{2n-1}+k=n+1\quad\text{-(ㄱ)} n ⋅ k 2 n − 1 + k = n + 1 - (ㄱ)
함수 y = n x 2 n − 1 + x − n − 1 \displaystyle y=nx^{2n-1}+x-n-1 y = n x 2 n − 1 + x − n − 1 의 도함수가 y ′ = n ( 2 n − 1 ) x 2 n − 2 + 1 > 0 \displaystyle y^{\prime}=n(2n-1)x^{2n-2}+1>0 y ′ = n ( 2 n − 1 ) x 2 n − 2 + 1 > 0 을 만족하므로 그림1에서 ( n + 1 , 0 ) \displaystyle (n+1,0) ( n + 1 , 0 ) 에 대해 주어진 조건을 만족하는 점 ( k , k n ) \displaystyle (k,k^n) ( k , k n ) 은 유일하며, (ㄱ)은 k = 1 \displaystyle k=1 k = 1 일때 만족하므로 ( n + 1 , 0 ) \displaystyle (n+1,0) ( n + 1 , 0 ) 을 지나는 직선이 y = x n \displaystyle y=x^n y = x n 과 수직으로 만나는 점은 ( 1 , 1 ) \displaystyle (1,1) ( 1 , 1 ) 이다. 이 직선은 ( n + 1 , 0 ) \displaystyle (n+1,0) ( n + 1 , 0 ) , ( 1 , 1 ) \displaystyle (1,1) ( 1 , 1 ) 을 지나므로
y − 1 = − 1 n ( n − 1 ) \displaystyle y-1=-\frac{1}{n}(n-1) y − 1 = − n 1 ( n − 1 ) , 즉 y = − 1 n x + 1 n + 1 \displaystyle y=-\frac{1}{n}x+\frac{1}{n}+1 y = − n 1 x + n 1 + 1 이다.
Correction. y − 1 = − 1 n ( n − 1 ) \displaystyle y-1=-\frac1n(n-1) y − 1 = − n 1 ( n − 1 ) 에서 괄호 안의 n \displaystyle n n 은 x \displaystyle x x 의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
(b)
A ′ C ′ ‾ = C ′ B ′ ‾ \displaystyle \overline{A^{\prime}C^{\prime}}=\overline{C^{\prime}B^{\prime}} A ′ C ′ = C ′ B ′ 이므로 c = a + b 2 \displaystyle c=\frac{a+b}{2} c = 2 a + b 이고
A에서의 접선의 방정식 l a : y − a n = n a n − 1 ( x − a ) \displaystyle l_a:y-a^n=na^{n-1}(x-a) l a : y − a n = n a n − 1 ( x − a ) ,
B에서의 접선의 방정식 l b : y − b n = n b n − 1 ( x − b ) \displaystyle l_b:y-b^n=nb^{n-1}(x-b) l b : y − b n = n b n − 1 ( x − b ) 이다.
n a n − 1 ( x − a ) + a n = n b n − 1 ( x − b ) + b n -(ㄴ) \displaystyle na^{n-1}(x-a)+a^n=nb^{n-1}(x-b)+b^n\quad\text{-(ㄴ)} n a n − 1 ( x − a ) + a n = n b n − 1 ( x − b ) + b n - (ㄴ)
임의의 a , b \displaystyle a,b a , b (단 0 ≤ a < b \displaystyle 0\leq a<b 0 ≤ a < b )에 대해 (ㄴ)의 근이 a + b 2 \displaystyle \frac{a+b}{2} 2 a + b 이므로
n a n − 1 b − a 2 + a n = n b n − 1 a − b 2 + b n \displaystyle na^{n-1}\frac{b-a}{2}+a^n=nb^{n-1}\frac{a-b}{2}+b^n n a n − 1 2 b − a + a n = n b n − 1 2 a − b + b n
n 2 a n − 1 b − n 2 a n + a n = n 2 a b n − 1 − n 2 b n + b n \displaystyle \frac{n}{2}a^{n-1}b-\frac{n}{2}a^n+a^n=\frac{n}{2}ab^{n-1}-\frac{n}{2}b^n+b^n 2 n a n − 1 b − 2 n a n + a n = 2 n a b n − 1 − 2 n b n + b n
n 2 a b ( a n − 2 − b n − 2 ) + ( 1 − n 2 ) a n − ( 1 − n 2 ) b n = 0 \displaystyle \frac{n}{2}ab(a^{n-2}-b^{n-2})+(1-\frac{n}{2})a^n-(1-\frac{n}{2})b^n=0 2 n ab ( a n − 2 − b n − 2 ) + ( 1 − 2 n ) a n − ( 1 − 2 n ) b n = 0
∴ n = 2 \displaystyle \therefore n=2 ∴ n = 2 (∵ a , b \displaystyle \because a,b ∵ a , b 에 대한 항등식이다.)
l a : y − a 2 = 2 a ( x − a ) l b : y − b 2 = 2 b ( x − b ) ( y = 2 a x − a 2 ) ( y = 2 b x − b 2 ) \displaystyle \begin{aligned}l_a:y-a^2&=2a(x-a)&l_b:y-b^2&=2b(x-b)\\(y&=2ax-a^2)&(y&=2bx-b^2)\end{aligned} l a : y − a 2 ( y = 2 a ( x − a ) = 2 a x − a 2 ) l b : y − b 2 ( y = 2 b ( x − b ) = 2 b x − b 2 )
∫ a b x 2 d x = [ 1 3 x 3 ] a b = 1 3 ( b 3 − a 3 ) − x \displaystyle \int_a^b x^2dx=\Biggl[\frac{1}{3}x^3\Biggr]_a^b=\frac{1}{3}(b^3-a^3)\quad-x ∫ a b x 2 d x = [ 3 1 x 3 ] a b = 3 1 ( b 3 − a 3 ) − x
∫ a a + b 2 ( 2 a x − a 2 ) d x = [ a x 2 − a 2 x ] a a + b 2 = − 1 4 a 3 + 1 4 a b 2 − y \displaystyle \int_a^{\frac{a+b}{2}}(2ax-a^2)dx=\Biggl[ax^2-a^2x\Biggr]_a^{\frac{a+b}{2}}=-\frac{1}{4}a^3+\frac{1}{4}ab^2\quad-y ∫ a 2 a + b ( 2 a x − a 2 ) d x = [ a x 2 − a 2 x ] a 2 a + b = − 4 1 a 3 + 4 1 a b 2 − y
∫ a + b 2 b ( 2 b x − b 2 ) d x = [ b x 2 − b 2 x ] a + b 2 b = 1 4 b 3 − 1 4 a 2 b − z \displaystyle \int_{\frac{a+b}{2}}^b(2bx-b^2)dx=\Biggl[bx^2-b^2x\Biggr]_{\frac{a+b}{2}}^b=\frac{1}{4}b^3-\frac{1}{4}a^2b\quad-z ∫ 2 a + b b ( 2 b x − b 2 ) d x = [ b x 2 − b 2 x ] 2 a + b b = 4 1 b 3 − 4 1 a 2 b − z
둘러싸인 넓이 = x − y − z = 1 12 b 3 − 1 12 a 3 + 1 4 a 2 b − 1 4 a b 2 \displaystyle \begin{aligned}\text{둘러싸인 넓이}&=x-y-z\\&=\frac{1}{12}b^3-\frac{1}{12}a^3+\frac{1}{4}a^2b-\frac{1}{4}ab^2\end{aligned} 둘러싸인 넓이 = x − y − z = 12 1 b 3 − 12 1 a 3 + 4 1 a 2 b − 4 1 a b 2
(c)
Q ( s , s 4 + 1 ) \displaystyle Q(s,s^4+1) Q ( s , s 4 + 1 ) 에서의 접선의 방정식은
l Q : y − s 4 − 1 = 4 s 3 ( x − s ) \displaystyle l_Q:y-s^4-1=4s^3(x-s) l Q : y − s 4 − 1 = 4 s 3 ( x − s ) (∵ g ≤ 4 x 3 \displaystyle \because g\leq4x^3 ∵ g ≤ 4 x 3 )이다.
Correction. g ≤ 4 x 3 \displaystyle g\leq4x^3 g ≤ 4 x 3 은 g ′ ( x ) = 4 x 3 \displaystyle g^{\prime}(x)=4x^3 g ′ ( x ) = 4 x 3 의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
y = 0 일때 x = p = 3 s 4 − 1 4 s 3 -(1) \displaystyle y=0\text{일때 }x=p=\frac{3s^4-1}{4s^3}\quad\text{-(1)} y = 0 일때 x = p = 4 s 3 3 s 4 − 1 - (1)
(d)
(c)와 같은 방법으로 R \displaystyle R R 에서의 접선의 방정식은
l R : y − u 4 − 1 = 4 u 3 ( x − u ) \displaystyle l_R:y-u^4-1=4u^3(x-u) l R : y − u 4 − 1 = 4 u 3 ( x − u ) 이고,
y = 0 일때 x = p = 3 u 4 − 1 4 u 3 -(2) \displaystyle y=0\text{일때 }x=p=\frac{3u^4-1}{4u^3}\quad\text{-(2)} y = 0 일때 x = p = 4 u 3 3 u 4 − 1 - (2)
이때 (1)=(2)이므로 3 s 4 − 1 4 s 3 = 3 u 4 − 1 4 u 3 \displaystyle \frac{3s^4-1}{4s^3}=\frac{3u^4-1}{4u^3} 4 s 3 3 s 4 − 1 = 4 u 3 3 u 4 − 1 이다.
양변을 s \displaystyle s s 에 대해 미분하면
12 s 3 4 s 3 − ( 3 s 4 − 1 ) 12 s 2 ( 4 s 3 ) 2 = 12 u 3 4 u 3 − ( 3 u 4 − 1 ) 12 u 2 ( 4 u 3 ) 2 d u d s \displaystyle \frac{12s^3 4s^3-(3s^4-1)12s^2}{(4s^3)^2}=\frac{12u^3 4u^3-(3u^4-1)12u^2}{(4u^3)^2}\frac{du}{ds} ( 4 s 3 ) 2 12 s 3 4 s 3 − ( 3 s 4 − 1 ) 12 s 2 = ( 4 u 3 ) 2 12 u 3 4 u 3 − ( 3 u 4 − 1 ) 12 u 2 d s d u
12 s 6 + 12 s 2 16 s 6 = 12 u 6 + 12 u 2 16 u 6 d u d s \displaystyle \frac{12s^6+12s^2}{16s^6}=\frac{12u^6+12u^2}{16u^6}\frac{du}{ds} 16 s 6 12 s 6 + 12 s 2 = 16 u 6 12 u 6 + 12 u 2 d s d u
3 4 + 3 4 1 s 4 = ( 3 4 + 3 4 1 u 4 ) d u d s \displaystyle \frac{3}{4}+\frac{3}{4}\frac{1}{s^4}=(\frac{3}{4}+\frac{3}{4}\frac{1}{u^4})\frac{du}{ds} 4 3 + 4 3 s 4 1 = ( 4 3 + 4 3 u 4 1 ) d s d u
∴ s 4 d u d s = 3 4 ( s 4 + 1 ) 3 4 ( 1 + 1 u 4 ) = s 4 + 1 1 + 1 u 4 \displaystyle \therefore s^4\frac{du}{ds}=\frac{\frac{3}{4}(s^4+1)}{\frac{3}{4}(1+\frac{1}{u^4})}=\frac{s^4+1}{1+\frac{1}{u^4}} ∴ s 4 d s d u = 4 3 ( 1 + u 4 1 ) 4 3 ( s 4 + 1 ) = 1 + u 4 1 s 4 + 1
s → 0 \displaystyle s\to0 s → 0 일 때 ∣ u ∣ → ∞ \displaystyle |u|\to\infty ∣ u ∣ → ∞ 이므로 u 4 → ∞ \displaystyle u^4\to\infty u 4 → ∞ 이다. 따라서
lim s → 0 s 4 d u d s = lim s → 0 s 4 + 1 1 + 1 u 4 = 1 \displaystyle \lim_{s\to0}s^4\frac{du}{ds}=\lim_{s\to0}\frac{s^4+1}{1+\frac{1}{u^4}}=1 s → 0 lim s 4 d s d u = s → 0 lim 1 + u 4 1 s 4 + 1 = 1