수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의학계 1번

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문제

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[1-1]

+3점 · f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)를 구할 수 있다. f(x)=1x24\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{1}{\sqrt{x^2-4}}

f(x)=ln(x+x24) (x>2)\displaystyle f(x)=\ln\left(x+\sqrt{x^2-4}\right)\ (x>2)를 미분하면f(x)=1+2x2x24x+x24=x24+x(x+x24)x24=1x24\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{1+\frac{2x}{2\sqrt{x^2-4}}}{x+\sqrt{x^2-4}}=\frac{\sqrt{x^2-4}+x}{\left(x+\sqrt{x^2-4}\right)\sqrt{x^2-4}}=\frac{1}{\sqrt{x^2-4}}이다.

+5점 · 부분적분을 할 수 있다. (1×x24)dx=xx24x2x2x24dx\displaystyle \int\left(1\times\sqrt{x^2-4}\right)dx=x\sqrt{x^2-4}-\int x\frac{2x}{2\sqrt{x^2-4}}\,dx

한편I=x24dx=(1×x24)dx=xx24x2x2x24dx=xx24x24+4x24dx=xx24I4x24dx\displaystyle \begin{aligned}I&=\int\sqrt{x^2-4}\,dx\\&=\int\left(1\times\sqrt{x^2-4}\right)dx=x\sqrt{x^2-4}-\int x\frac{2x}{2\sqrt{x^2-4}}\,dx\\&=x\sqrt{x^2-4}-\int\frac{x^2-4+4}{\sqrt{x^2-4}}\,dx=x\sqrt{x^2-4}-I-\int\frac{4}{\sqrt{x^2-4}}\,dx\end{aligned}이다.

+7점 · 식의 변형을 통해 부정적분을 구할 수 있다. I=12(xx244lnx+x24)+C\displaystyle I=\frac{1}{2}\left(x\sqrt{x^2-4}-4\ln\left|x+\sqrt{x^2-4}\right|\right)+C

4x24dx\displaystyle \int\frac{4}{\sqrt{x^2-4}}\,dx에서 x=2secθ\displaystyle x=2\sec\theta로 치환하면 dx=2secθtanθdθ\displaystyle dx=2\sec\theta\tan\theta\,d\theta이므로4x24dx=42sec2θ1×2secθtanθdθ=4secθdθ=4secθ(secθ+tanθ)secθ+tanθdθ=4lnsecθ+tanθ+C1\displaystyle \begin{aligned}\int\frac{4}{\sqrt{x^2-4}}\,dx&=\int\frac{4}{2\sqrt{\sec^2\theta-1}}\times2\sec\theta\tan\theta\,d\theta\\&=4\int\sec\theta\,d\theta\\&=4\int\frac{\sec\theta(\sec\theta+\tan\theta)}{\sec\theta+\tan\theta}\,d\theta\\&=4\ln|\sec\theta+\tan\theta|+C_1\end{aligned} (단, C1\displaystyle C_1은 적분 상수)4x24dx=4lnx2+x242+C1\displaystyle \phantom{\int\frac{4}{\sqrt{x^2-4}}\,dx}=4\ln\left|\frac{x}{2}+\frac{\sqrt{x^2-4}}{2}\right|+C_1이다. 그러므로I=xx24I4lnx+x24+C\displaystyle I=x\sqrt{x^2-4}-I-4\ln\left|x+\sqrt{x^2-4}\right|+C^{\prime} (단, C\displaystyle C^{\prime}는 적분 상수)I=12(xx244lnx+x24)+C\displaystyle \therefore I=\frac{1}{2}\left(x\sqrt{x^2-4}-4\ln\left|x+\sqrt{x^2-4}\right|\right)+C (단, C\displaystyle C는 적분 상수)이다.

[1-2]

+3점 · 접선의 방정식 y=x\displaystyle y=x를 구할 수 있다.

곡선 C:3x24y26x+16y=25\displaystyle C:3x^2-4y^2-6x+16y=25 위의 점 (5,5)\displaystyle (5,5)에서의 접선의 방정식을 구하기 위해 3x24y26x+16y=25\displaystyle 3x^2-4y^2-6x+16y=25에서 y\displaystyle yx\displaystyle x의 함수로 보고, 각 항을 x\displaystyle x에 대하여 미분하면6x8yy6+16y=0 (y2)\displaystyle 6x-8y\cdot y^{\prime}-6+16y^{\prime}=0\ (y\ne2)이므로 점 (5,5)\displaystyle (5,5)에서의 접선의 기울기는 위 식에 x=5\displaystyle x=5, y=5\displaystyle y=5를 대입하면3040y6+16y=0\displaystyle 30-40y^{\prime}-6+16y^{\prime}=0이므로 y=1\displaystyle y^{\prime}=1이다. 따라서 구하는 접선의 방정식은l:y=x\displaystyle l:y=x이다.

+4점 · 접선과 y=2\displaystyle y=2의 교점을 구하고 넓이 S\displaystyle S를 나타낼 수 있다. S=9235{34(x1)23}dx\displaystyle S=\frac{9}{2}-\int_3^5\left\{\sqrt{\frac{3}{4}(x-1)^2-3}\right\}dx

그러므로 접선과 직선 y=2\displaystyle y=2의 교점의 좌표는 (2,2)\displaystyle (2,2)이다.3x24y26x+16y=25\displaystyle 3x^2-4y^2-6x+16y=25를 변형하면(x1)24(y2)23=1\displaystyle \frac{(x-1)^2}{4}-\frac{(y-2)^2}{3}=1이므로 y=±34(x1)23+2\displaystyle y=\pm\sqrt{\frac{3}{4}(x-1)^2-3}+2이다. 그러므로 그림의 색칠된 부분이 구하는 넓이와 같다.따라서

쌍곡선 C, 접선 y=x와 직선 y=2로 둘러싸인 영역을 표시한 대학 예시답안의 그래프

S=123335[{34(x1)23+2}2]dx=9235{34(x1)23}dx\displaystyle \begin{aligned}S&=\frac{1}{2}\cdot3\cdot3-\int_3^5\left[\left\{\sqrt{\frac{3}{4}(x-1)^2-3}+2\right\}-2\right]dx\\&=\frac{9}{2}-\int_3^5\left\{\sqrt{\frac{3}{4}(x-1)^2-3}\right\}dx\end{aligned}이다.

+3점 · 정적분의 치환적분법을 이용할 수 있다. 35{34(x1)23}dx=2434t23dt=3224t24dt\displaystyle \int_3^5\left\{\sqrt{\frac{3}{4}(x-1)^2-3}\right\}dx=\int_2^4\sqrt{\frac{3}{4}t^2-3}\,dt=\frac{\sqrt{3}}{2}\int_2^4\sqrt{t^2-4}\,dt

여기서 35{34(x1)23}dx\displaystyle \int_3^5\left\{\sqrt{\frac{3}{4}(x-1)^2-3}\right\}dx의 값을 구하기 위해x1=t\displaystyle x-1=t로 놓으면 dtdx=1\displaystyle \frac{dt}{dx}=1x=3\displaystyle x=3일 때 t=2\displaystyle t=2, x=5\displaystyle x=5일 때 t=4\displaystyle t=435{34(x1)23}dx=2434t23dt=3224t24dt\displaystyle \int_3^5\left\{\sqrt{\frac{3}{4}(x-1)^2-3}\right\}dx=\int_2^4\sqrt{\frac{3}{4}t^2-3}\,dt=\frac{\sqrt{3}}{2}\int_2^4\sqrt{t^2-4}\,dt이다.

+5점 · [1-1]의 결과를 이용하여 S=32+3ln(2+3)\displaystyle S=-\frac{3}{2}+\sqrt{3}\ln\left(2+\sqrt{3}\right)을 구할 수 있다.

[1-1]의 결과를 이용하면2432t24dt=34[tt244lnt+t24]24=34{834ln(4+23)+4ln2}=3{23ln(4+23)+ln2}=3{23ln(2+3)}\displaystyle \begin{aligned}\int_2^4\frac{\sqrt{3}}{2}\sqrt{t^2-4}\,dt&=\frac{\sqrt{3}}{4}\Biggl[t\sqrt{t^2-4}-4\ln\left|t+\sqrt{t^2-4}\right|\Biggr]_2^4\\&=\frac{\sqrt{3}}{4}\left\{8\sqrt{3}-4\ln\left(4+2\sqrt{3}\right)+4\ln2\right\}\\&=\sqrt{3}\left\{2\sqrt{3}-\ln\left(4+2\sqrt{3}\right)+\ln2\right\}\\&=\sqrt{3}\left\{2\sqrt{3}-\ln\left(2+\sqrt{3}\right)\right\}\end{aligned}이다. 따라서S=923{23ln(2+3)}=32+3ln(2+3)\displaystyle S=\frac{9}{2}-\sqrt{3}\left\{2\sqrt{3}-\ln\left(2+\sqrt{3}\right)\right\}=-\frac{3}{2}+\sqrt{3}\ln\left(2+\sqrt{3}\right)이다.

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