수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] (50점) 다음 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

1. 도형의 대칭이동

방정식 f(x,y)=0\displaystyle f(x,y)=0이 나타내는 도형을 직선 y=x\displaystyle y=x에 대하여 대칭이동한 도형의 방정식은 f(y,x)=0\displaystyle f(y,x)=0

2. 입체도형의 부피

닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]의 임의의 점 x\displaystyle x에서 x\displaystyle x축에 수직인 평면으로 자를 때 생기는 단면의 넓이가 S(x)\displaystyle S(x)인 입체도형의 부피 V\displaystyle V는

V=∫abS(x)dx\displaystyle V = \int_a^b S(x) dx (단, S(x)\displaystyle S(x)는 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a, b]에서 연속)

3. 함수의 극대와 극소 판정

a\displaystyle a를 포함하는 어떤 열린구간에서 미분가능한 함수 y=f(x)\displaystyle y = f(x)에서 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)= 0이고

x\displaystyle x의 값이 a\displaystyle a보다 작은 값에서 a\displaystyle a보다 큰 값으로 바뀔 때, f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가

(1) 양에서 음으로 바뀌면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x = a에서 극댓값을 가진다.

(2) 음에서 양으로 바뀌면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x = a에서 극솟값을 가진다.

4. 함수의 증가와 감소

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 [a,b]\displaystyle [a, b]에서 연속이고 구간 (a,b)\displaystyle (a, b)에서 미분가능할 때

(1) 구간 (a,b)\displaystyle (a, b)에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x) >0이면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 [a,b]\displaystyle [a, b]에서 증가한다.

(2) 구간 (a,b)\displaystyle (a, b)에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x) <0이면 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 [a,b]\displaystyle [a, b]에서 감소한다.

5. 사이값 정리

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a, b]에서 연속이고 f(a)≠f(b)\displaystyle f(a) \ne f(b)일 때, f(a)\displaystyle f(a)와 f(b)\displaystyle f(b)사이의 임의의 k\displaystyle k에 대하여

f(c)=k\displaystyle f(c) = k (a<c<b\displaystyle a < c <b)

인 c\displaystyle c가 적어도 하나 존재한다.

[1] 자연수 n\displaystyle n에 대하여 좌표평면 위의 곡선 y=log⁡3x\displaystyle y=\log_3x위를 움직이는 점 Pn(n,log⁡3n)\displaystyle P_n(n,\log_3n)이 있다. 점 Pn\displaystyle P_n을 지나고 기울기가 −1\displaystyle -1인 직선이 곡선 y=3x\displaystyle y=3^x과 만나는 점을 Qn\displaystyle Q_n이라고 할 때, 다음 물음에 답하시오.

(1) 점 Qn\displaystyle Q_n의 좌표를 구하시오. [2점]

(2) 삼각형 OPnQn\displaystyle OP_nQ_n의 넓이를 an\displaystyle a_n이라고 할 때, an\displaystyle a_n을 구하시오. (단, O\displaystyle O는 원점이다.) [8점]

(3) ∑k=1n{2ak+(log⁡3k)2}\displaystyle\sum_{k=1}^n\{2a_k+(\log_3k)^2\}을 구하시오. [2점]

[2] 좌표평면에서 x2−4y+4=0\displaystyle x^{2} - 4y +4 = 0이 나타내는 도형 A\displaystyle A에 대하여 다음 물음에 답하시오.

(1) 도형 A\displaystyle A를 직선 y=x\displaystyle y = x에 대하여 대칭이동한 도형을 B\displaystyle B라고 할 때, A\displaystyle A와 B\displaystyle B가 한 점에서 만남을 보이시오. [2점]

(2) 도형 A\displaystyle A와 세 직선 x=0, x=1, y=x\displaystyle x=0,~x=1,~y=x로 둘러싸인 영역을 밑면으로 하는 입체도형이 있다. 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]의 임의의 점 x\displaystyle x에서 x\displaystyle x축에 수직인 평면으로 이 입체도형을 자른 단면의 모양이 정삼각형이다. 이 정삼각형들이 이루는 입체도형의 부피를 구하시오. [8점]

[3] 삼차함수 f(x)=ax3+bx2+x−1\displaystyle f(x)=ax ^{3} +bx ^{2} +x-1이 x=cos⁡θ\displaystyle x = \cos \theta와 x=sec⁡θ\displaystyle x = \sec \theta에서 극값을 가질 수 있게 하 는 b\displaystyle b의 범위를 구하고, 극대와 극소를 판정하시오. (단, −π2<θ<π2\displaystyle - \frac{\pi}{2} < \theta < \frac{\pi}{2}) [14점]

[4] 0<x<π6\displaystyle 0 < x < \frac{\pi}{6}에 대하여 부등식 tan⁡3x>ax\displaystyle \tan3x>ax를 만족하는 a\displaystyle a의 최댓값을 구하시오. [14점]

해설강의 준비중
+2점 · 근거를 제시하고 Qn\displaystyle Q_n의 좌표 (log⁡3n,n)\displaystyle (\log_3n,n)를 올바로 구한다.

[1] (1) 두 점 Pn, Qn\displaystyle P_n,~Q_n은 y=x\displaystyle y=x에 대하여 대칭이므로 Qn\displaystyle Q_n의 좌표는 (log⁡3n,n)\displaystyle (\log_3n,n)이다.

+8점 · 삼각형의 넓이 an\displaystyle a_n을 올바로 구한다. an\displaystyle a_n을 올바로 구하지 못한 경우, 풀이 과정 안에서 부분점수를 부여할 수 있지만 최대 4점까지로 제한한다.

(2) 세 점 An(n,0), Bn(n,n), Cn(0,n)\displaystyle A_n(n,0),~B_n(n,n),~C_n(0,n)에 대하여 삼각형 OPnQn\displaystyle OP_nQ_n의 넓이 an\displaystyle a_n은 사각형 OAnBnCn\displaystyle OA_nB_nC_n의 넓이에서 삼각형 OAnPn\displaystyle OA_nP_n, 삼각형 OQnCn\displaystyle OQ_nC_n, 삼각형 PnBnQn\displaystyle P_nB_nQ_n의 넓이를 뺀 것이다.

(사각형 OAnBnCn의 넓이)=n2\displaystyle (\text{사각형 }OA_nB_nC_n\text{의 넓이})=n^2

(삼각형 OAnPn의 넓이)=(삼각형 OQnCn의 넓이)=12nlog⁡3n\displaystyle (\text{삼각형 }OA_nP_n\text{의 넓이})=(\text{삼각형 }OQ_nC_n\text{의 넓이})=\dfrac12n\log_3n

(삼각형 PnBnQn의 넓이)=12(n−log⁡3n)2\displaystyle (\text{삼각형 }P_nB_nQ_n\text{의 넓이})=\dfrac12(n-\log_3n)^2

따라서 an=n2−nlog⁡3n−12(n−log⁡3n)2=12n2−12(log⁡3n)2\displaystyle a_n=n^2-n\log_3n-\dfrac12(n-\log_3n)^2=\dfrac12n^2-\dfrac12(\log_3n)^2

+2점 · 제시된 수열의 합을 올바로 구한다.

(3) ∑k=1n{2ak+(log⁡3k)2}=∑k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6\displaystyle\sum_{k=1}^n\{2a_k+(\log_3k)^2\}=\sum_{k=1}^nk^2=\dfrac{n(n+1)(2n+1)}6

+2점 · 도형 A\displaystyle A와 B\displaystyle B가 한 점에서 만남을 올바로 보인다.

[2] (1) 도형 A\displaystyle A의 방정식은 x2−4y+4=0\displaystyle x^2-4y+4=0, 도형 B\displaystyle B의 방정식은 y2−4x+4=0\displaystyle y^2-4x+4=0

y\displaystyle y를 소거하여 정리하면 x4+8x2−64x+80=(x−2)2(x2+4x+20)=0\displaystyle x^4+8x^2-64x+80=(x-2)^2(x^2+4x+20)=0

x2+4x+20=0\displaystyle x^2+4x+20=0의 판별식 D4=4−20<0\displaystyle \dfrac D4=4-20<0이므로 (x−2)2(x2+4x+20)=0\displaystyle (x-2)^2(x^2+4x+20)=0의 해는 x=2\displaystyle x=2뿐이다.

그러므로 도형 A\displaystyle A와 도형 B\displaystyle B는 한 점 (2,2)\displaystyle (2,2)에서만 만난다.

+8점 · 입체도형의 부피를 올바로 구한다. 입체도형의 부피를 올바로 구하지 못한 경우, 풀이 과정 안에서 부분점수를 부여할 수 있지만 최대 4점까지로 제한한다.

(2) 도형 A\displaystyle A는 함수 y=14x2+1\displaystyle y=\dfrac14x^2+1의 그래프이고 이 함수의 x=2\displaystyle x=2에서 접선의 방정식은 y=x\displaystyle y=x이다. 닫힌 구간 [0,1]\displaystyle [0,1]의 임의의 점 x\displaystyle x에서 x\displaystyle x축에 수직인 평면으로 자른 단면의 넓이 S(x)\displaystyle S(x)는 한 변의 길이가 14x2−x+1\displaystyle \dfrac14x^2-x+1인 정삼각형의 넓이이므로

서로 대칭인 포물선 A와 B, 직선 y=x 및 접점 (2,2)

S(x)=12(14x2−x+1)2sin⁡π3=34(x416−x32+32x2−2x+1)\displaystyle S(x)=\dfrac12\left(\dfrac14x^2-x+1\right)^2\sin\dfrac\pi3=\dfrac{\sqrt3}4\left(\dfrac{x^4}{16}-\dfrac{x^3}2+\dfrac32x^2-2x+1\right)

구하는 입체의 부피 V\displaystyle V는

V=34∫01(x416−x32+32x2−2x+1)dx=34[x580−x48+x32−x2+x]01=313320\displaystyle \begin{aligned}V&=\dfrac{\sqrt3}4\int_0^1\left(\dfrac{x^4}{16}-\dfrac{x^3}2+\dfrac32x^2-2x+1\right)dx\\&=\dfrac{\sqrt3}4\Biggl[\dfrac{x^5}{80}-\dfrac{x^4}8+\dfrac{x^3}2-x^2+x\Biggr]_0^1=\dfrac{31\sqrt3}{320}\end{aligned}

+2점 · 근과 계수의 관계를 이용해 a\displaystyle a를 구한다.

[3] f′(x)=3ax2+2bx+1=0\displaystyle f^{\prime}(x)=3ax^2+2bx+1=0의 두 근은 cos⁡θ, sec⁡θ\displaystyle \cos\theta,~\sec\theta이다.

근과 계수의 관계에 의해 cos⁡θsec⁡θ=1=13a\displaystyle \cos\theta\sec\theta=1=\dfrac1{3a}. 따라서 a=13\displaystyle a=\dfrac13.

+4점 · f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)가 중근을 갖는 경우 f(x)\displaystyle f(x)는 극값을 갖지 않음을 논증한다.

만약 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0이 중근을 가지면 (θ=0\displaystyle \theta=0인 경우로 x=cos⁡0=sec⁡0=1\displaystyle x=\cos0=\sec0=1) f′(x)=(x−1)2≥0\displaystyle f^{\prime}(x)=(x-1)^2\ge0이다. 이 경우 f(x)\displaystyle f(x)는 증가하므로 f(x)\displaystyle f(x)는 극값을 갖지 않는다.

그러므로 방정식 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0이 서로 다른 두 실근을 가져야 한다.

D4=b2−3a=b2−1>0\displaystyle \dfrac D4=b^2-3a=b^2-1>0이므로 b>1\displaystyle b>1 또는 b<−1\displaystyle b<-1이다. ⋯⋯\displaystyle \cdots\cdots㉠

+4점 · 근과 계수의 관계를 이용해 b\displaystyle b가 양수일 수 없음을 논증한다.

한편 근과 계수의 관계에 의해 −2b=cos⁡θ+sec⁡θ\displaystyle -2b=\cos\theta+\sec\theta

주어진 범위 −π2<θ<π2\displaystyle -\dfrac\pi2<\theta<\dfrac\pi2에서 cos⁡θ\displaystyle \cos\theta와 sec⁡θ\displaystyle \sec\theta모두 양수 이므로 산술평균과 기하평균의 관계에 의해

−2b=cos⁡θ+sec⁡θ≥2cos⁡θsec⁡θ=2\displaystyle -2b=\cos\theta+\sec\theta\ge2\sqrt{\cos\theta\sec\theta}=2, 즉 b≤−1\displaystyle b\le-1 ⋯⋯\displaystyle \cdots\cdots㉡

+4점 · b\displaystyle b의 범위를 올바로 구하고 x=cos⁡θ\displaystyle x=\cos\theta에서 극댓값을 x=sec⁡θ\displaystyle x=\sec\theta에서 극솟값을 갖게 됨을 논리 정연하게 보인다.

㉠과 ㉡에 의해 b<−1\displaystyle b<-1

이 경우 f′(x)=(x−cos⁡θ)(x−sec⁡θ)\displaystyle f^{\prime}(x)=(x-\cos\theta)(x-\sec\theta)이고 구간 (−π2,π2)\displaystyle \left(-\dfrac\pi2,\dfrac\pi2\right)에서 0<cos⁡θ≤1\displaystyle 0<\cos\theta\le1이고 1≤sec⁡θ\displaystyle 1\le\sec\theta

따라서 제시문 3에 의해 f(x)\displaystyle f(x)는 x=cos⁡θ\displaystyle x=\cos\theta에서 극댓값을 x=sec⁡θ\displaystyle x=\sec\theta에서 극솟값을 갖게 된다.

+6점 · a=3\displaystyle a=3일 때 부등식이 성립함을 논리 정연하게 올바로 보인다. a=3\displaystyle a=3일 때 부등식이 성립함을 보이는 데에 그림으로 설명하거나 논리가 부족한 경우 최대 2점을 부여한다. 두 경우를 합하여 부분 점수의 합은 최대 4점을 넘지 않는다.

[4] f(x)=tan⁡3x−ax\displaystyle f(x)=\tan3x-ax라 하자.

f′(x)=3sec⁡23x−a\displaystyle f^{\prime}(x)=3\sec^23x-a

f′′(x)=(18sec⁡23x)tan⁡3x\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=(18\sec^23x)\tan3x

구간 (0,π6)\displaystyle \left(0,\dfrac\pi6\right)에서 f′′(x)>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)>0

제시문 4에 의해 구간 (0,π6)\displaystyle \left(0,\dfrac\pi6\right)에서 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 증가한다. ⋯⋯\displaystyle \cdots\cdots㉠

만약 f′(0)≥0\displaystyle f^{\prime}(0)\ge0이면 (즉 f′(0)=3−a≥0\displaystyle f^{\prime}(0)=3-a\ge0) ⋯⋯\displaystyle \cdots\cdots㉡

㉠에 의해 구간 (0,π6)\displaystyle \left(0,\dfrac\pi6\right)에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 제시문 4에 의해 f(x)\displaystyle f(x)는 증가한다.

그런데 f(0)=0\displaystyle f(0)=0이므로 구간 (0,π6)\displaystyle \left(0,\dfrac\pi6\right)에서 f(x)>0\displaystyle f(x)>0이 되어 조건 tan⁡3x>ax\displaystyle \tan3x>ax를 만족한다.

+8점 · a>3\displaystyle a>3일 때 부등식이 만족하지 않음을 논리 정연하게 올바로 보인다. a>3\displaystyle a>3일 때 부등식이 만족하지 않음을 보이는 데에 그림으로 설명하거나 논리가 부족한 경우 최대 2점을 부여한다. 두 경우를 합하여 부분 점수의 합은 최대 4점을 넘지 않는다.

만약 f′(0)<0\displaystyle f^{\prime}(0)<0이면 (즉 f′(0)=3−a<0\displaystyle f^{\prime}(0)=3-a<0)

어떤 b\displaystyle b에 대해 구간 (0,b)\displaystyle (0,b)에서 f(x)<0\displaystyle f(x)<0 즉 tan⁡3x<ax\displaystyle \tan3x<ax이 되어 조건을 만족하지 않는다.

왜냐하면 lim⁡x→π6+f′(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to\frac\pi6+}f^{\prime}(x)=\infty인데,Correction. 구간 (0,π6)\displaystyle \left(0,\frac\pi6\right) 안에서 사이값 정리를 적용하려면 오른쪽 끝점의 좌극한 lim⁡x→π6−f′(x)=∞\displaystyle \lim_{x\to\frac\pi6-}f^{\prime}(x)=\infty를 사용해야 한다. 대학 답안의 우극한 표기 +\displaystyle +는 이 논증에서는 −\displaystyle -로 읽어야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

a가 3보다 클 때 도함수의 부호 변화와 영점 b

f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 연속함수이고 f′(0)<0\displaystyle f^{\prime}(0)<0이므로 사이값 정리에 의해 f′(b)=0\displaystyle f^{\prime}(b)=0인 b∈(0,π6)\displaystyle b\in\left(0,\dfrac\pi6\right)가 존재한다.

그러면 구간 (0,b)\displaystyle (0,b)에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0이므로 제시문 4에 의해 그 구간에서 f(x)\displaystyle f(x)는 감소한다.

f(0)=0\displaystyle f(0)=0이므로 구간 (0,b)\displaystyle (0,b)에서 f(x)<0\displaystyle f(x)<0.

그러므로 ㉡에 의해 a\displaystyle a의 최댓값은 3

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