수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

(a)

(n+1,0)\displaystyle (n+1,0)을 지나는 직선이 y=xn\displaystyle y=x^n과 수직으로 만나는 점을 (k,kn)\displaystyle (k,k^n)이라 하자. 이 때 (k,kn)\displaystyle (k,k^n)에서의 접선의 기울기는 nkn1\displaystyle nk^{n-1}. (y=nxn1\displaystyle \because y^{\prime}=nx^{n-1})이다.

y=xⁿ의 점 (k,kⁿ)에서 수직으로 만나며 (n+1,0)을 지나는 직선

knkn1×nkn1=1\displaystyle \because\frac{k^n}{k-n-1}\times n\cdot k^{n-1}=-1

nk2n1=n+1k\displaystyle n\cdot k^{2n-1}=n+1-k

nk2n1+k=n+1-(ㄱ)\displaystyle n\cdot k^{2n-1}+k=n+1\quad\text{-(ㄱ)}

함수 y=nx2n1+xn1\displaystyle y=nx^{2n-1}+x-n-1의 도함수가 y=n(2n1)x2n2+1>0\displaystyle y^{\prime}=n(2n-1)x^{2n-2}+1>0을 만족하므로 그림1에서 (n+1,0)\displaystyle (n+1,0)에 대해 주어진 조건을 만족하는 점 (k,kn)\displaystyle (k,k^n)은 유일하며, (ㄱ)은 k=1\displaystyle k=1일때 만족하므로 (n+1,0)\displaystyle (n+1,0)을 지나는 직선이 y=xn\displaystyle y=x^n과 수직으로 만나는 점은 (1,1)\displaystyle (1,1)이다. 이 직선은 (n+1,0)\displaystyle (n+1,0), (1,1)\displaystyle (1,1)을 지나므로

y1=1n(n1)\displaystyle y-1=-\frac{1}{n}(n-1), 즉 y=1nx+1n+1\displaystyle y=-\frac{1}{n}x+\frac{1}{n}+1이다.

Correction. y1=1n(n1)\displaystyle y-1=-\frac1n(n-1)에서 괄호 안의 n\displaystyle nx\displaystyle x의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(b)

AC=CB\displaystyle \overline{A^{\prime}C^{\prime}}=\overline{C^{\prime}B^{\prime}}이므로 c=a+b2\displaystyle c=\frac{a+b}{2}이고

A에서의 접선의 방정식 la:yan=nan1(xa)\displaystyle l_a:y-a^n=na^{n-1}(x-a),

B에서의 접선의 방정식 lb:ybn=nbn1(xb)\displaystyle l_b:y-b^n=nb^{n-1}(x-b)이다.

nan1(xa)+an=nbn1(xb)+bn-(ㄴ)\displaystyle na^{n-1}(x-a)+a^n=nb^{n-1}(x-b)+b^n\quad\text{-(ㄴ)}

임의의 a,b\displaystyle a,b (단 0a<b\displaystyle 0\leq a<b)에 대해 (ㄴ)의 근이 a+b2\displaystyle \frac{a+b}{2}이므로

nan1ba2+an=nbn1ab2+bn\displaystyle na^{n-1}\frac{b-a}{2}+a^n=nb^{n-1}\frac{a-b}{2}+b^n

n2an1bn2an+an=n2abn1n2bn+bn\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

n2ab(an2bn2)+(1n2)an(1n2)bn=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

n=2\displaystyle \therefore n=2 (a,b\displaystyle \because a,b에 대한 항등식이다.)

la:ya2=2a(xa)lb:yb2=2b(xb)(y=2axa2)(y=2bxb2)\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}

abx2dx=[13x3]ab=13(b3a3)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

aa+b2(2axa2)dx=[ax2a2x]aa+b2=14a3+14ab2y\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+b2b(2bxb2)dx=[bx2b2x]a+b2b=14b314a2bz\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

둘러싸인 넓이=xyz=112b3112a3+14a2b14ab2\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}

(c)

Q(s,s4+1)\displaystyle Q(s,s^4+1)에서의 접선의 방정식은

lQ:ys41=4s3(xs)\displaystyle l_Q:y-s^4-1=4s^3(x-s) (g4x3\displaystyle \because g\leq4x^3)이다.

Correction. g4x3\displaystyle g\leq4x^3g(x)=4x3\displaystyle g^{\prime}(x)=4x^3의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

y=0일때 x=p=3s414s3-(1)\displaystyle y=0\text{일때 }x=p=\frac{3s^4-1}{4s^3}\quad\text{-(1)}

(d)

(c)와 같은 방법으로 R\displaystyle R에서의 접선의 방정식은

lR:yu41=4u3(xu)\displaystyle l_R:y-u^4-1=4u^3(x-u)이고,

y=0일때 x=p=3u414u3-(2)\displaystyle y=0\text{일때 }x=p=\frac{3u^4-1}{4u^3}\quad\text{-(2)}

이때 (1)=(2)이므로 3s414s3=3u414u3\displaystyle \frac{3s^4-1}{4s^3}=\frac{3u^4-1}{4u^3}이다.

양변을 s\displaystyle s에 대해 미분하면

12s34s3(3s41)12s2(4s3)2=12u34u3(3u41)12u2(4u3)2duds\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}

12s6+12s216s6=12u6+12u216u6duds\displaystyle \frac{12s^6+12s^2}{16s^6}=\frac{12u^6+12u^2}{16u^6}\frac{du}{ds}

34+341s4=(34+341u4)duds\displaystyle \frac{3}{4}+\frac{3}{4}\frac{1}{s^4}=(\frac{3}{4}+\frac{3}{4}\frac{1}{u^4})\frac{du}{ds}

s4duds=34(s4+1)34(1+1u4)=s4+11+1u4\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}}

s0\displaystyle s\to0일 때 u\displaystyle |u|\to\infty이므로 u4\displaystyle u^4\to\infty이다. 따라서

lims0s4duds=lims0s4+11+1u4=1\displaystyle \lim_{s\to0}s^4\frac{du}{ds}=\lim_{s\to0}\frac{s^4+1}{1+\frac{1}{u^4}}=1

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