수리논술, 이게 다다.

의학계 2번

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문제

【문항 2】 다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

(가) 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 미분 가능할 때, x=a\displaystyle x=a에서의 미분계수 f′(a)\displaystyle f^{\prime}(a)는 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))에서의 접선의 기울기이다.

(나) 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 두 직선 x=a\displaystyle x=a, x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 영역의 넓이는 ∫ab∣f(x)−g(x)∣dx\displaystyle \int_{a}^{b}|f(x)-g(x)|dx이다.

함수 f(x)=1x2−4\displaystyle f(x)=\frac{1}{x^{2}-4}에 대하여 다음 논제에 답하시오.

2-1. 점 (−112,0)\displaystyle \left(-\frac{11}{2},0\right)을 지나고 기울기가 m\displaystyle m인 직선과 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 교점의 개수를 실수 m\displaystyle m의 값에 따라 구하시오. [15점]

2-2. 타원 x24k+y2k=1 (k>0)\displaystyle \frac{x^{2}}{4k}+\frac{y^{2}}{k}=1\ (k>0)과 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 교점이 4개일 때, 타원과 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)로 둘러싸인 영역 중 원점을 포함하지 않는 영역의 넓이를 A\displaystyle A를 사용하여 나타내시오. 여기서, A=∫037−x2 dx\displaystyle A=\int_{0}^{\sqrt{3}}\sqrt{7-x^{2}}\,dx이다. [20점]

+3점 · 도함수와 이계도함수, 그리고 점근선을 이용하여 그래프의 개형을 그릴 수 있다.

2-1.함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프의 개형을 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x), f′′(x)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)와 점근선을 이용하여 그린다.

+6점 · 제시문 (가)를 이용하여 직선과 곡선이 접할 때 접점의 좌표를 구할 수 있다.

점 (−112,0)\displaystyle \left(-\frac{11}{2},0\right)에서 그은 직선과 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)이 접하는 순간의 접점의 좌표를 (t,1t2−4)\displaystyle \left(t,\frac{1}{t^{2}-4}\right)라고 두고, 제시문 (가)를 이용하면 −2t2−11t=t2−4\displaystyle -2t^{2}-11t=t^{2}-4, 즉 3t2+11t−4=0\displaystyle 3t^{2}+11t-4=0을 얻는다. 따라서 t=13\displaystyle t=\frac{1}{3} 또는 t=−4\displaystyle t=-4이다.

+6점 · 그래프를 통하여 곡선과 직선의 교점의 개수를 직선의 기울기에 따라 조사할 수 있다.

그러면 t=13\displaystyle t=\frac{1}{3}일 때 m=−541225\displaystyle m=-\frac{54}{1225}이고, t=−4\displaystyle t=-4일 때 m=118\displaystyle m=\frac{1}{18}이다. 따라서 정답은 아래와 같다.① m=0\displaystyle m=0일 때, 교점의 개수는 0개② −541225<m<118\displaystyle -\frac{54}{1225}<m<\frac{1}{18} 이고 m≠0\displaystyle m\ne0일 때, 교점의 개수는 1개③ m=−541225\displaystyle m=-\frac{54}{1225} 혹은 m=118\displaystyle m=\frac{1}{18}일 때, 교점의 개수는 2개④ m<−541225\displaystyle m<-\frac{54}{1225} 또는 m>118\displaystyle m>\frac{1}{18}일 때, 교점의 개수는 3개

+5점 · 타원을 그릴 수 있고, 타원 위의 임의의 점에서 타원에 그은 접선의 기울기를 구할 수 있다.

2-2.타원 x24k+y2k=1\displaystyle \frac{x^{2}}{4k}+\frac{y^{2}}{k}=1과 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 교점이 4개인 경우는 두 곡선이 4개 중 2개의 교점에서 공통인 접선을 가질 때이다. 공통인 접선을 가지는 교점의 좌표를 (t,1t2−4)\displaystyle \left(t,\frac{1}{t^{2}-4}\right)라고 두자. 음함수 미분법에 의하여 타원 x24k+y2k=1\displaystyle \frac{x^{2}}{4k}+\frac{y^{2}}{k}=1 위의 점 (x,y)\displaystyle (x,y)에서의 접선의 기울기는 −x4y\displaystyle -\frac{x}{4y}이다.

+4점 · 두 곡선이 공통인 접선을 가질 때 그 접점의 좌표를 구할 수 있다.

그러므로 제시문 (가)에 의하여 (t2−4)3=8\displaystyle (t^{2}-4)^{3}=8, 즉, t2−4=2\displaystyle t^{2}-4=2를 얻는다. 따라서 t=±6\displaystyle t=\pm\sqrt{6}이다.

+8점 · 두 곡선의 교점의 좌표를 구할 수 있고, 제시문 (나)를 이용하여 두 곡선으로 둘러싸인 영역의 넓이를 정적분으로 표현할 수 있다.

이 경우 k=74\displaystyle k=\frac{7}{4}이다. 이 경우 타원 x2+4y2=7\displaystyle x^{2}+4y^{2}=7과 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 접점 이외의 두 교점의 x\displaystyle x좌표는 x=±3\displaystyle x=\pm\sqrt{3}이다. 따라서 제시문 (나)에 의하여 주어진 영역의 넓이를 구하면 아래와 같다.

+3점 · 주어진 정적분을 계산할 수 있다.

∫−33(1x2−4+7−x22)dx=ln⁡(2−3)+A\displaystyle \int_{-\sqrt{3}}^{\sqrt{3}}\left(\frac{1}{x^{2}-4}+\frac{\sqrt{7-x^{2}}}{2}\right)dx=\ln(2-\sqrt{3})+A

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