수리논술, 이게 다다.

의학계 2번

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문제

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

(가) 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 미분가능하고 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x), g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)가 연속일 때,∫abf(x)g′(x) dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x) dx\displaystyle \int_a^b f(x)g^{\prime}(x)\,dx=\Biggl[f(x)g(x)\Biggr]_a^b-\int_a^b f^{\prime}(x)g(x)\,dx

(나) 구간 [a, b]\displaystyle [a,\ b]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 미분가능한 함수 x=g(t)\displaystyle x=g(t)의 도함수 g′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)가 구간 [α, β]\displaystyle [\alpha,\ \beta]에서 연속이고, a=g(α)\displaystyle a=g(\alpha), b=g(β)\displaystyle b=g(\beta)이면∫abf(x) dx=∫αβf(g(t))g′(t) dt\displaystyle \int_a^b f(x)\,dx=\int_\alpha^\beta f(g(t))g^{\prime}(t)\,dt

자연수 a\displaystyle a, b\displaystyle b에 대하여 포물선 y=x2\displaystyle y=x^2과 직선 y=ax+b\displaystyle y=ax+b로 둘러싸인 영역을 D(a, b)\displaystyle D(a,\ b)라 하자. (단, 경계선은 포함한다.) 영역 D(a, b)\displaystyle D(a,\ b)의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표가 모두 정수인 점의 개수를 L(a, b)\displaystyle L(a,\ b)라 하자.

예를 들면 D(1, 2)\displaystyle D(1,\ 2)는 아래와 같은 영역이며

포물선 y=x²과 직선 y=x+2로 둘러싸인 영역 D(1,2). 두 교점은 (-1,1), (2,4)이다.

영역 D(1, 2)\displaystyle D(1,\ 2)의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표가 모두 정수인 점은 (−1, 1)\displaystyle (-1,\ 1), (0, 0)\displaystyle (0,\ 0), (0, 1)\displaystyle (0,\ 1), (0, 2)\displaystyle (0,\ 2), (1, 1)\displaystyle (1,\ 1), (1, 2)\displaystyle (1,\ 2), (1, 3)\displaystyle (1,\ 3), (2, 4)\displaystyle (2,\ 4)이므로 L(1, 2)=8\displaystyle L(1,\ 2)=8이다.

[2-1] 자연수 n\displaystyle n과 실수 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta에 대하여 제시문을 이용하여 ∫αβ(x−α)(x−β)n dx\displaystyle \int_\alpha^\beta(x-\alpha)(x-\beta)^n\,dx를 구하시오. (10점)

[2-2] 이차방정식 x2−ax−b=0\displaystyle x^2-ax-b=0의 두 근의 차를 c\displaystyle c라 하자. 예를 들면 x2−x−2=0\displaystyle x^2-x-2=0의 두 근이 −1\displaystyle -1, 2\displaystyle 2이므로 c=2−(−1)=3\displaystyle c=2-(-1)=3이다. 영역 D(a, b)\displaystyle D(a,\ b)의 넓이가 유리수일 때, L(a, b)\displaystyle L(a,\ b)를 c\displaystyle c에 관한 식으로 나타내시오. (25점)

[2-1]

+5점 · 다항함수의 치환적분법과 부분적분법을 할 수 있다.

제시문 (가)의 부분적분법을 이용하면∫αβ(x−α)(x−β)n dx=[(x−α)(x−β)n+1n+1]αβ−1n+1∫αβ(x−β)n+1 dx.\displaystyle \begin{aligned}\int_\alpha^\beta(x-\alpha)(x-\beta)^n\,dx&=\Biggl[\frac{(x-\alpha)(x-\beta)^{n+1}}{n+1}\Biggr]_\alpha^\beta-\frac{1}{n+1}\int_\alpha^\beta(x-\beta)^{n+1}\,dx.\end{aligned}

+5점 · 정적분을 이해하고 그 값을 구할 수 있다.

경계항은 양 끝에서 모두 0\displaystyle 0이므로∫αβ(x−α)(x−β)n dx=−[(x−β)n+2(n+1)(n+2)]αβ=(α−β)n+2(n+1)(n+2).\displaystyle \begin{aligned}\int_\alpha^\beta(x-\alpha)(x-\beta)^n\,dx&=-\Biggl[\frac{(x-\beta)^{n+2}}{(n+1)(n+2)}\Biggr]_\alpha^\beta\\&=\frac{(\alpha-\beta)^{n+2}}{(n+1)(n+2)}.\end{aligned}

[2-2]

+3점 · 이차방정식의 근을 구할 수 있다.

이차방정식 x2−ax−b=0\displaystyle x^2-ax-b=0의 두 근을 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta (α<β\displaystyle \alpha<\beta)라 하면α=a−a2+4b2\displaystyle \alpha=\frac{a-\sqrt{a^2+4b}}{2}, β=a+a2+4b2\displaystyle \beta=\frac{a+\sqrt{a^2+4b}}{2}이므로c=β−α=a2+4b\displaystyle c=\beta-\alpha=\sqrt{a^2+4b}이다.

+2점 · [2-1]을 이용하여 이차함수의 정적분을 구할 수 있다.

영역 D(a, b)\displaystyle D(a,\ b)의 넓이를 S\displaystyle S라 하면, [2-1]에서 n=1\displaystyle n=1일 때의 결과에 의해S=∫αβ(ax+b−x2) dx=−∫αβ(x−α)(x−β) dx=(β−α)36=c36=16(a2+4b)a2+4b.\displaystyle \begin{aligned}S&=\int_\alpha^\beta(ax+b-x^2)\,dx=-\int_\alpha^\beta(x-\alpha)(x-\beta)\,dx\\&=\frac{(\beta-\alpha)^3}{6}=\frac{c^3}{6}\\&=\frac{1}{6}(a^2+4b)\sqrt{a^2+4b}.\end{aligned}

+5점 · 다항함수와 무리함수의 곱으로 이루어진 함수 16(a2+4b)a2+4b\displaystyle \frac{1}{6}(a^2+4b)\sqrt{a^2+4b}에서 이 값이 유리수일 조건은 a2+4b\displaystyle \sqrt{a^2+4b}가 유리수가 됨을 이해할 수 있다.

S\displaystyle S가 유리수이고 a2+4b\displaystyle a^2+4b가 양의 정수이므로c=6Sa2+4b\displaystyle c=\frac{6S}{a^2+4b}는 유리수이다.정수의 제곱근이 유리수이면 정수이므로 c\displaystyle c는 자연수이다.

+5점 · 자연수 a\displaystyle a, c\displaystyle c에 대하여 유리수 12(a±c)\displaystyle \frac{1}{2}(a\pm c)가 정수가 되기 위한 조건을 이해할 수 있다.

c2=a2+4b\displaystyle c^2=a^2+4b이므로 a\displaystyle a와 c\displaystyle c의 홀짝은 같다.따라서 α=a−c2\displaystyle \alpha=\frac{a-c}{2}, β=a+c2\displaystyle \beta=\frac{a+c}{2}는 모두 정수이다.

+5점 · 양 끝점 (α+t,(α+t)2)\displaystyle (\alpha+t,(\alpha+t)^2), (α+t,a(α+t)+b)\displaystyle (\alpha+t,a(\alpha+t)+b)가 정수인 선분에서 정수 점의 개수를 구할 수 있다.

영역에 포함된 정수 x\displaystyle x좌표는 x=α+k\displaystyle x=\alpha+k (k=0,1,…,c\displaystyle k=0,1,\ldots,c)로 나타낼 수 있다.이때 두 경계의 높이 차는ax+b−x2=(x−α)(β−x)=k(c−k).\displaystyle \begin{aligned}ax+b-x^2&=(x-\alpha)(\beta-x)\\&=k(c-k).\end{aligned}두 경계의 y\displaystyle y좌표 x2\displaystyle x^2, ax+b\displaystyle ax+b가 모두 정수이고 경계를 포함하므로,이 세로줄 위의 정수 좌표점은 k(c−k)+1\displaystyle k(c-k)+1개이다.

+5점 · 자연수 거듭제곱의 합을 구할 수 있다.

따라서 L(a, b)=∑k=0c{k(c−k)+1}=cc(c+1)2−c(c+1)(2c+1)6+(c+1)=(c+1)(c2−c+6)6.\displaystyle \begin{aligned}\text{따라서 }L(a,\ b)&=\sum_{k=0}^{c}\{k(c-k)+1\}\\&=c\frac{c(c+1)}{2}-\frac{c(c+1)(2c+1)}{6}+(c+1)\\&=\frac{(c+1)(c^2-c+6)}{6}.\end{aligned}

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