수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

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

1. 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)에서 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0이고, x=a\displaystyle x=a의 좌우에서

① f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 양에서 음으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극대이고, 극댓값은 f(a)\displaystyle f(a)이다.

② f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 음에서 양으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극소이고, 극솟값은 f(a)\displaystyle f(a)이다.

2. 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}에서

a2=b2+c2−2bccos⁡A\displaystyle a^{2}=b^{2}+c^{2}-2 b c \cos A

b2=c2+a2−2cacos⁡B\displaystyle b^{2}=c^{2}+a^{2}-2 c a \cos B

c2=a2+b2−2abcos⁡C\displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}-2 a b \cos C

대학 원본의 코사인법칙 삼각형

3. lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle \lim _{x \to 0} \frac{ \sin x}{x}=1(단, x\displaystyle x의 단위는 라디안)

[1] 두 함수 f(x)=3x4−4x3−6x2−24x, g(x)=−x2−2x+k\displaystyle f(x)=3 x^{4}-4 x^{3}-6 x^{2}-24 x,~ g(x)=-x^{2}-2 x+k가 임의의 두 실수 x1, x2\displaystyle x_{1},~ x_{2}에 대하여 f(x1)≥g(x2)\displaystyle f \left (x_{1} \right ) \ge g \left (x_{2} \right )를 만족시킬 때, 상수 k\displaystyle k의 최댓값을 구하시오. [10점]

[2] 다음 그림과 같이 반지름의 길이가 1\displaystyle 1인 원 모양의 종이에서 중심각의 크기가 θ\displaystyle \theta인 부채꼴을 잘라내고 남은 부분으로 (밑면이 없는) 원뿔을 만들려고 한다. 다음 물음에 답하시오.

대학 원본의 부채꼴로 만드는 원뿔

(1) 이 원뿔의 부피가 최대가 되기 위한 θ\displaystyle \theta의 값을 구하시오. [10점]

(2) (1)에서 만든 원뿔에 대하여 원 C\displaystyle C의 지름 AA′\displaystyle \mathrm{AA}^{\prime}의 점 A\displaystyle \mathrm{A} 에서 출발하여 원뿔의 옆면을 따라 점 A′\displaystyle \mathrm{A}^{\prime}에 이르는 최단 거리를 l\displaystyle l이라고 할 때, l2\displaystyle l^{2}의 값을 구하시오. [10점]

[3] 함수 f(x)=tan⁡(x−π2)\displaystyle f(x)= \tan \left (x-\frac{\pi }{2} \right )에 대하여 점 P1(2π3, 0)\displaystyle \mathrm{P}_{1} \left (\frac{2 \pi }{3},~ 0 \right )을 지나고 y\displaystyle y축과 평행한 직선이 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 만나는 점을 Q1\displaystyle \mathrm{Q}_{1}, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)위의 점 Q1\displaystyle \mathrm{Q}_{1}에서의 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 P2\displaystyle \mathrm{P}_{2}라고 하자. 점 P2\displaystyle \mathrm{P}_{2}를 지나고 y\displaystyle y축과 평행한 직선이 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 만나는 점을 Q2\displaystyle \mathrm{Q}_{2}, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)위의 점 Q2\displaystyle \mathrm{Q}_{2}에서의 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 P3\displaystyle \mathrm{P}_{3}라고 하자. 이와 같은 과정을 한없이 반복할 때, 점 Pn\displaystyle \mathrm{P}_{n}의 x\displaystyle x좌표를 an\displaystyle a_{n}이라고 하자. 다음 물음에 답하시오. (단, n\displaystyle n은 자연수)

(1) lim⁡n→∞an=α\displaystyle \lim _{n \to \infty } a_{n}=\alpha일 때, α\displaystyle \alpha의 값을 구하시오. (단, π4<α<3π4\displaystyle \frac{\pi }{4}<\alpha <\frac{3 \pi }{4}) [10점]

(2) (1)에서 구한 α\displaystyle \alpha에 대하여 lim⁡n→∞(an+1−αan−α)\displaystyle \lim _{n \to \infty } \left (\frac{a_{n+1}-\alpha }{a_{n}-\alpha } \right )의 값을 구하시오. (단, an−α≠0\displaystyle a_{n}-\alpha \ne 0) [10점]

해설강의 준비중
+3점 · f(x)\displaystyle f(x)가 x=2\displaystyle x=2에서 최솟값을 가지며 그 값은 −56\displaystyle -56임을 보이면

[1]

함수 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값이 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 최댓값보다 크거나 같아야 한다.

f′(x)=12(x3−x2−x−2)=12(x−2)(x2+x+1)\displaystyle f^{\prime}(x)=12 \left (x^{3}-x^{2}-x-2 \right )=12(x-2) \left (x^{2}+x+1 \right )

x2+x+1=(x+12)2+34>0\displaystyle x^{2}+x+1= \left (x+\frac{1}{2} \right )^{2}+\frac{3}{4}>0이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 x=2\displaystyle x=2일 때 극소이면서 최소이고

최솟값은 f(2)=−56\displaystyle f(2)=-56

+3점 · g(x)\displaystyle g(x)가 x=−1\displaystyle x=-1에서 최댓값을 가지며 그 값이 k+1\displaystyle k+1임을 보이면

g(x)=−(x+1)2+k+1\displaystyle g(x)=-(x+1)^{2}+k+1이므로 g(x)\displaystyle g(x)는 x=−1\displaystyle x=-1일 때 최댓값 k+1\displaystyle k+1을 가진다.

+4점 · 상수 k\displaystyle k의 최댓값이 −57\displaystyle -57임을 보이면

그러므로 −56≥k+1\displaystyle -56 \ge k+1이고 −57≥k\displaystyle -57 \ge k

따라서 상수 k\displaystyle k의 최댓값은 −57\displaystyle -57

+3점 · 원뿔의 부피를 θ\displaystyle \theta에 대한 함수나 원뿔의 높이에 대한 함수로 표현하면

[2] (1)

원뿔을 만들었을 때 원 C\displaystyle C의 반지름의 길이를 x\displaystyle x, 원뿔의 높이를 h\displaystyle h라고 하면 이 원뿔의 부피 V(h)=13πx2h\displaystyle V(h)=\frac{1}{3} \pi x^{2} h

피타고라스 정리로부터 x2=1−h2\displaystyle x^{2}=1-h^{2}이므로 V(h)=13π(h−h3)(0<h<1)\displaystyle V(h)=\frac{1}{3} \pi \left (h-h^{3} \right )(0<h<1)에서

+3점 · 부피의 도함수를 이용하여 극댓점을 찾으면

V′(h)=π3(1−3h2)=−π(h+33)(h−33)\displaystyle V^{\prime}(h)=\frac{\pi }{3} \left (1-3 h^{2} \right )=-\pi \left (h+\frac{\sqrt {3}}{3} \right ) \left (h-\frac{\sqrt {3}}{3} \right )

V′(h)=0\displaystyle V^{\prime}(h)=0에서 h=33\displaystyle h=\frac{\sqrt {3}}{3}일 때 V\displaystyle V는 극대이고 또한 최대이다.

+4점 · θ=2π(1−63)\displaystyle \theta =2 \pi \left (1-\frac{\sqrt {6}}{3} \right )를 찾으면

x2=1−h2(x>0)\displaystyle x^{2}=1-h^{2}(x>0)에서 x=63\displaystyle x=\frac{\sqrt {6}}{3} 또한 호의길이 공식으로부터 2πx=2π−θ\displaystyle 2 \pi x=2 \pi -\theta

따라서 θ=2π(1−63)\displaystyle \theta =2 \pi \left (1-\frac{\sqrt {6}}{3} \right )

+5점 · 전개도에서 점 A\displaystyle A와 점 A′\displaystyle A^{\prime}의 관계를 올바로 표시하고 사잇각 6π3\displaystyle \frac{\sqrt {6} \pi }{3}을 찾으면

(2) 전개도에서 점 A\displaystyle A와 점 A′\displaystyle A^{\prime}이 원뿔의 지름이 되려면 다음 그림에서

대학 원본의 원뿔 옆면 최단거리 전개도 두 경우

β=β1+β2\displaystyle \beta =\beta_{1}+\beta_{2}이므로 β=2π−θ2=6π3\displaystyle \beta =\frac{2 \pi -\theta }{2}=\frac{\sqrt {6} \pi }{3}

+5점 · 코사인법칙을 사용하여 l2=2(1−cos⁡6π3)\displaystyle l^{2}=2 \left (1- \cos \frac{\sqrt {6} \pi }{3} \right )을 찾으면

코사인법칙에 의하여 l2=AA′‾2=12+12−2cos⁡6π3=2(1−cos⁡6π3)\displaystyle l^2=\overline{AA^{\prime}}^2=1^2+1^2-2\cos\dfrac{\sqrt6\pi}3=2\left(1-\cos\dfrac{\sqrt6\pi}3\right)

+3점 · Qn\displaystyle Q_{n}에서의 접선의 방정식을 찾고 x\displaystyle x축과의 교점을 찾으면

[3] (1)

y=tan⁡(x−π2)\displaystyle y= \tan \left (x-\frac{\pi }{2} \right )이므로 y′=sec⁡2(x−π2)\displaystyle y^{\prime}= \sec ^{2} \left (x-\frac{\pi }{2} \right )

점 Pn\displaystyle \mathrm{P}_{\mathrm{n}}의 x\displaystyle x좌표를 an\displaystyle a_{n}으로 놓으면 두 점 Pn, Qn\displaystyle \mathrm{P}_{n},~ \mathrm{Q}_{n}의 좌표는 각각 (an, 0), (an, tan⁡(an−π2))\displaystyle \left (a_{n},~ 0 \right ),~ \left (a_{n},~ \tan \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right ) \right )이다.

이때 점 Qn\displaystyle \mathrm{Q}_{n}에서의 접선의 기울기는 y′=sec⁡2(an−π2)\displaystyle y^{\prime}= \sec ^{2} \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )이므로 점 Qn\displaystyle \mathrm{Q}_{n}에서의 접선의 방정식은

y−tan⁡(an−π2)=sec⁡2(an−π2)(x−an)\displaystyle y- \tan \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )= \sec ^{2} \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right ) \left (x-a_{n} \right )

이 접선과 x\displaystyle x축과의 교점은 (−tan⁡(an−π2)cos⁡2(an−π2)+an, 0)\displaystyle \left (- \tan \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right ) \cos ^{2} \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )+a_{n},~ 0 \right )이고 이 점이 Pn+1(an+1, 0)\displaystyle \mathrm{P}_{n+1} \left (a_{n+1},~ 0 \right )이므로

+4점 · an+1\displaystyle a_{n+1}과 an\displaystyle a_{n}의 관계식 an+1=−sin⁡(an−π2)cos⁡(an−π2)+an\displaystyle a_{n+1}=- \sin \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right ) \cos \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )+a_{n}을 찾으면

an+1=−tan⁡(an−π2)cos⁡2(an−π2)+an=−sin⁡(an−π2)cos⁡(an−π2)+an=−12sin⁡2(an−π2)+an\displaystyle a_{n+1}=- \tan \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right ) \cos ^{2} \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )+a_{n}=- \sin \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right ) \cos \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )+a_{n}=-\frac{1}{2} \sin 2 \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )+a_{n}

+3점 · α=π2\displaystyle \alpha =\frac{\pi }{2}를 찾으면

이 식의 양변에 극한을 취하면 lim⁡n→∞an=α\displaystyle \lim _{n \to \infty } a_{n}=\alpha이므로

α=−12sin⁡2(α−π2)+α\displaystyle \alpha =-\frac{1}{2} \sin 2 \left (\alpha -\frac{\pi }{2} \right )+\alpha이므로 sin⁡2(α−π2)=0\displaystyle \sin 2 \left (\alpha -\frac{\pi }{2} \right )=0

이 때 π4<α<3π4\displaystyle \frac{\pi }{4}<\alpha <\frac{3 \pi }{4}이므로 −π2<2(α−π2)<π2\displaystyle -\frac{\pi }{2}<2 \left (\alpha -\frac{\pi }{2} \right )<\frac{\pi }{2}

따라서 α=π2\displaystyle \alpha =\frac{\pi }{2}

+5점 · an+1−π2an−π2=1−12sin⁡2(an−π2)an−π2\displaystyle \frac{a_{n+1}-\frac{\pi }{2}}{a_{n}-\frac{\pi }{2}}=1-\frac{1}{2} \frac{ \sin 2 \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )}{a_{n}-\frac{\pi }{2}}을 얻으면

(2)

(1)에서 an+1=an−12sin⁡2(an−π2)\displaystyle a_{n+1}=a_{n}-\frac{1}{2} \sin 2 \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )이므로 양변에서 α=π2\displaystyle \alpha =\frac{\pi }{2}를 뺀 후, an−α≠0\displaystyle a_{n}-\alpha \ne 0이므로 양변을 an−π2\displaystyle a_{n}-\frac{\pi }{2}로 나누면 an+1−π2an−π2=1−12sin⁡2(an−π2)an−π2\displaystyle \frac{a_{n+1}-\frac{\pi }{2}}{a_{n}-\frac{\pi }{2}}=1-\frac{1}{2} \frac{ \sin 2 \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )}{a_{n}-\frac{\pi }{2}}

+5점 · 올바른 계산을 통하여 극한값 0\displaystyle 0을 찾으면

이 식의 양변에 극한을 취하면 lim⁡n→∞(an+1−αan−α)=1−lim⁡n→∞sin⁡2(an−π2)2(an−π2)=0\displaystyle \lim _{n \to \infty } \left (\frac{a_{n+1}-\alpha }{a_{n}-\alpha } \right )=1-\lim _{n \to \infty } \frac{ \sin 2 \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )}{2 \left (a_{n}-\frac{\pi }{2} \right )}=0

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