수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

임의의 실수 α,β\displaystyle \alpha,\beta에 대하여 아래의 결과는 쉽게 유도할 수 있는 성질이다.sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+sin⁡βcos⁡α\displaystyle \sin(\alpha+\beta)=\sin\alpha\cos\beta+\sin\beta\cos\alphasin⁡(α−β)=sin⁡αcos⁡β−sin⁡βcos⁡α\displaystyle \sin(\alpha-\beta)=\sin\alpha\cos\beta-\sin\beta\cos\alpha

〈논제 1-1〉제시문의 성질을 이용하여, 실수 α,β\displaystyle \alpha,\beta에 대하여 sin⁡α−sin⁡β=2sin⁡(α−β2)cos⁡(α+β2)\displaystyle \sin\alpha-\sin\beta=2\sin\left(\frac{\alpha-\beta}2\right)\cos\left(\frac{\alpha+\beta}2\right)이 성립함을 보이시오. (10점)

〈논제 1-2〉실수 x  (0<∣x∣<π2)\displaystyle x\;\left(0<|x|<\frac\pi2\right)에 대하여, 부등식 ∣sin⁡x∣<∣x∣<∣tan⁡x∣\displaystyle |\sin x|<|x|<|\tan x|이 성립하는 이유를 설명하시오. (20점)

〈논제 1-3〉위의 부등식을 이용하여, lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin x}x=1이 됨을 증명하시오. (10점)

〈논제 1-4〉도함수의 정의를 이용하여, (sin⁡x)′=cos⁡x\displaystyle (\sin x)^{\prime}=\cos x임을 증명하시오. (20점)

해설강의 준비중

〈논제 1-1〉α=α+β2+α−β2\displaystyle \alpha=\frac{\alpha+\beta}2+\frac{\alpha-\beta}2, β=α+β2−α−β2\displaystyle \beta=\frac{\alpha+\beta}2-\frac{\alpha-\beta}2이므로sin⁡α=sin⁡(α+β2+α−β2)=sin⁡(α+β2)cos⁡(α−β2)+sin⁡(α−β2)cos⁡(α+β2)\displaystyle \sin\alpha=\sin\left(\frac{\alpha+\beta}2+\frac{\alpha-\beta}2\right)=\sin\left(\frac{\alpha+\beta}2\right)\cos\left(\frac{\alpha-\beta}2\right)+\sin\left(\frac{\alpha-\beta}2\right)\cos\left(\frac{\alpha+\beta}2\right)sin⁡β=sin⁡(α+β2−α−β2)=sin⁡(α+β2)cos⁡(α−β2)−sin⁡(α−β2)cos⁡(α+β2)\displaystyle \sin\beta=\sin\left(\frac{\alpha+\beta}2-\frac{\alpha-\beta}2\right)=\sin\left(\frac{\alpha+\beta}2\right)\cos\left(\frac{\alpha-\beta}2\right)-\sin\left(\frac{\alpha-\beta}2\right)\cos\left(\frac{\alpha+\beta}2\right)이다. 그러므로 sin⁡α−sin⁡β=2sin⁡(α−β2)cos⁡(α+β2)\displaystyle \sin\alpha-\sin\beta=2\sin\left(\frac{\alpha-\beta}2\right)\cos\left(\frac{\alpha+\beta}2\right)이 성립한다.

〈논제 1-2〉

단위원에서 삼각형 OAB, 부채꼴 OAB, 삼각형 OAC의 넓이 비교

Correction. 원본 그림에서 중심각 x\displaystyle x를 나타내는 두 선이 원의 중심 O\displaystyle \mathrm O보다 위에서 만나는 것은 오기이다. 본문의 설명대로라면 두 반직선 OA→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}}와 OB→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OB}}는 O\displaystyle \mathrm O에서 만나고, C\displaystyle \mathrm C는 직선 OB\displaystyle \mathrm{OB}와 점 A\displaystyle \mathrm A에서 그은 접선의 교점이다. 그러나 원칙에 따라 원본 그림을 그대로 실었다.

위의 그림과 같이 반지름 1인 원을 하나 그리고, 중심을 O\displaystyle \mathrm O라 하자. 원주 위의 두 점 A,B\displaystyle \mathrm{A,B}를 중심각이 ∠AOB=x\displaystyle \angle\mathrm{AOB}=x가 되도록 잡고, A\displaystyle \mathrm A를 지나는 원의 접선과 직선 OB↔\displaystyle \overleftrightarrow{\mathrm{OB}}가 만나는 점을 C\displaystyle \mathrm C라고 하자. 분명히 삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 면적은 부채꼴 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 면적보다 작고, 또 부채꼴 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 면적은 삼각형 OAC\displaystyle \mathrm{OAC}의 면적보다 작다. 한편 삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 면적은 12∣sin⁡x∣\displaystyle \frac12|\sin x|, 부채꼴 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 면적은 12∣x∣\displaystyle \frac12|x|, 그리고 직각삼각형 OAC\displaystyle \mathrm{OAC}의 면적은 12∣tan⁡x∣\displaystyle \frac12|\tan x|이다. 그러므로 부등식 ∣sin⁡x∣<∣x∣<∣tan⁡x∣\displaystyle |\sin x|<|x|<|\tan x|이 성립한다.

〈논제 1-3〉주어진 범위의 x\displaystyle x값에 대하여 x,sin⁡x,tan⁡x\displaystyle x,\sin x,\tan x의 부호가 모두 같으므로 1<xsin⁡x<1cos⁡x\displaystyle 1<\frac x{\sin x}<\frac1{\cos x}이고, 역수를 취하면 cos⁡x<sin⁡xx<1\displaystyle \cos x<\frac{\sin x}x<1이다. 그러므로 1=lim⁡x→0cos⁡x≤lim⁡x→0sin⁡xx≤1\displaystyle 1=\lim_{x\to0}\cos x\le\lim_{x\to0}\frac{\sin x}x\le1이 되어 lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin x}x=1이다.

〈논제 1-4〉도함수의 정의에 의하여 (sin⁡x)′=lim⁡Δx→0sin⁡(x+Δx)−sin⁡xΔx\displaystyle (\sin x)^{\prime}=\lim_{\Delta x\to0}\frac{\sin(x+\Delta x)-\sin x}{\Delta x}이다. 한편sin⁡(x+Δx)−sin⁡x=2sin⁡(Δx2)cos⁡(x+Δx2)\displaystyle \sin(x+\Delta x)-\sin x=2\sin\left(\frac{\Delta x}2\right)\cos\left(x+\frac{\Delta x}2\right)이므로, 위의 부등식을 적용하면(sin⁡x)′=lim⁡Δx→02Δxsin⁡(Δx2)cos⁡(x+Δx2)=lim⁡Δx→0sin⁡(Δx2)Δx2lim⁡Δx→0cos⁡(x+Δx2)=1⋅cos⁡x=cos⁡x\displaystyle \begin{aligned}(\sin x)^{\prime}&=\lim_{\Delta x\to0}\frac2{\Delta x}\sin\left(\frac{\Delta x}2\right)\cos\left(x+\frac{\Delta x}2\right)\\&=\lim_{\Delta x\to0}\frac{\sin\left(\frac{\Delta x}2\right)}{\frac{\Delta x}2}\lim_{\Delta x\to0}\cos\left(x+\frac{\Delta x}2\right)=1\cdot\cos x=\cos x\end{aligned}이다.

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