수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

【공통문항 2】다음 제시문을 읽고 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

(가) 방정식 f(x,y)=0\displaystyle f(x,y)=0이 나타내는 도형을 x\displaystyle x축의 방향으로 a\displaystyle a만큼, y\displaystyle y축의 방향으로 b\displaystyle b만큼 평행이동한 도형의 방정식은 다음과 같다.f(xa,yb)=0\displaystyle f(x-a,y-b)=0

(나) 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때,두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)y=g(x)\displaystyle y=g(x) 및 두 직선 x=a\displaystyle x=a, x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는 다음과 같다.S=abf(x)g(x)dx\displaystyle S=\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx

양수 a\displaystyle a에 대하여 함수 y=1ax2+a  (axa)\displaystyle y=-\frac1a x^2+a\;(-a\le x\le a)의 그래프가 나타내는 곡선을 C\displaystyle C라 할 때, 다음 물음에 답하시오.

[2-1] 곡선 C\displaystyle Cx\displaystyle x축의 방향으로 1a\displaystyle \frac1a만큼 평행이동한 곡선을 C\displaystyle C^{\prime}이라 하자. a\displaystyle a의 값에 따른 두 곡선 C\displaystyle CC\displaystyle C^{\prime}의 교점의 좌표를 구하시오. (10점)

[2-2] 곡선 C\displaystyle Cx\displaystyle x축의 양의 방향으로 평행하게 1a\displaystyle \frac1a만큼 움직이는 동안 이 곡선이 지나간 영역의 넓이를 구하시오. (25점)

(참고)y=x  (0x1)\displaystyle y=x\;(0\le x\le1)의 그래프가 나타내는 도형 L\displaystyle Lx\displaystyle x축의 양의 방향으로 평행하게 1\displaystyle 1만큼 움직이는 동안 이 도형 L\displaystyle L이 지나간 영역은 그림의 색칠한 부분과 같다.

선분 L을 오른쪽으로 움직일 때 지나간 영역
해설강의 준비중
+2점 · 곡선 C\displaystyle C^{\prime}의 방정식이 y=1a(x1a)2+a  (a+1axa+1a)\displaystyle y=-\frac1a\left(x-\frac1a\right)^2+a\;\left(-a+\frac1a\le x\le a+\frac1a\right)임을 구할 수 있다.

[2-1]곡선 C\displaystyle C^{\prime}는 제시문 (가)에 의하여y=1a(x1a)2+a(a+1axa+1a)\displaystyle y=-\frac1a\left(x-\frac1a\right)^2+a\quad\left(-a+\frac1a\le x\le a+\frac1a\right)의 그래프이다.

곡선 C\displaystyle CC\displaystyle C^{\prime}의 교점은 a\displaystyle a의 범위에 따라 다음과 같이 두 가지로 나뉜다.

+3점 · 0<a<12\displaystyle 0<a<\frac1{\sqrt2}일 때, 교점이 없음을 나타낼 수 있다.

(i) 1a>2a\displaystyle \frac1a>2a일 때, 즉, 0<a<12\displaystyle 0<a<\frac1{\sqrt2}일 때, 교점은 없다.

+5점 · a12\displaystyle a\ge\frac1{\sqrt2}일 때, 교점의 좌표가 (12a,a14a3)\displaystyle \left(\frac1{2a},a-\frac1{4a^3}\right)임을 구할 수 있다.

(ii) 1a2a\displaystyle \frac1a\le2a일 때, 즉, a12\displaystyle a\ge\frac1{\sqrt2}일 때,곡선 C\displaystyle CC\displaystyle C^{\prime}의 교점의 x\displaystyle x좌표를 구하면1ax2+a=1a(x1a)2+a\displaystyle -\frac1a x^2+a=-\frac1a\left(x-\frac1a\right)^2+a에서 x=12a\displaystyle x=\frac1{2a}이다.따라서 교점은 (12a,a14a3)\displaystyle \left(\frac1{2a},a-\frac1{4a^3}\right)이다.

+5점 · 곡선이 지나간 영역의 넓이를 a\displaystyle a의 범위에 따라 두 가지 경우로 나눌 수 있다.

[2-2]곡선 C\displaystyle C가 지나간 영역의 넓이 S\displaystyle Sa\displaystyle a의 범위에 따라 다음과 같이 두 가지로 나뉜다.

ⅰ) 1a2a\displaystyle \frac1a\ge2a일 때, 즉, 0<a12\displaystyle 0<a\le\frac1{\sqrt2}일 때,[2-1]에 의하여곡선 C\displaystyle CC\displaystyle C^{\prime}의 교점은 0<a<12\displaystyle 0<a<\frac1{\sqrt2}일 때 없거나 a=12\displaystyle a=\frac1{\sqrt2}일 때 (12,0)\displaystyle \left(\frac1{\sqrt2},0\right)이므로곡선 C\displaystyle C가 지나간 영역은 그림의 색칠한 부분과 같다.

두 곡선의 내부가 겹치지 않는 경우 지나간 영역
+7점 · 0<a12\displaystyle 0<a\le\frac1{\sqrt2}일 때 두 곡선의 위치관계를 파악하고, 곡선이 지나간 영역의 넓이 S\displaystyle SS=a0(1ax2+a)dx+(a×1a)+1aa+1a{1a(x1a)2+a}dx\displaystyle S=\int_{-a}^0\left(-\frac1a x^2+a\right)dx+\left(a\times\frac1a\right)+\int_{\frac1a}^{a+\frac1a}\left\{-\frac1a\left(x-\frac1a\right)^2+a\right\}dx로 나타낼 수 있다.

이 영역의 넓이 S\displaystyle S는 닫힌구간 [a,0]\displaystyle [-a,0]에서 y=1ax2+a\displaystyle y=-\frac1a x^2+ax\displaystyle x축으로 둘러싸인 부분의 넓이,닫힌구간 [0,1a]\displaystyle \left[0,\frac1a\right]에서 y=a\displaystyle y=ax\displaystyle x축으로 둘러싸인 부분의 넓이와닫힌구간 [1a,a+1a]\displaystyle \left[\frac1a,a+\frac1a\right]에서 곡선 y=1a(x1a)2+a\displaystyle y=-\frac1a\left(x-\frac1a\right)^2+ax\displaystyle x축으로 둘러싸인 부분의 넓이의 합이다.따라서 제시문 (나)에 의하여S=a0(1ax2+a)dx+(a×1a)+1aa+1a{1a(x1a)2+a}dx\displaystyle S=\int_{-a}^0\left(-\frac1a x^2+a\right)dx+\left(a\times\frac1a\right)+\int_{\frac1a}^{a+\frac1a}\left\{-\frac1a\left(x-\frac1a\right)^2+a\right\}dx

+3점 · 0<a12\displaystyle 0<a\le\frac1{\sqrt2}일 때 S=1+43a2\displaystyle S=1+\frac43a^2를 구할 수 있다.

S=1+20a(1ax2+a)dx=1+2(a33a+a2)=1+43a2\displaystyle \begin{aligned}S&=1+2\int_0^a\left(-\frac1a x^2+a\right)dx\\&=1+2\left(-\frac{a^3}{3a}+a^2\right)=1+\frac43a^2\end{aligned}이다.

ⅱ) 1a<2a\displaystyle \frac1a<2a일 때, 즉, a>12\displaystyle a>\frac1{\sqrt2}일 때,[2-1]에 의하여, 곡선 C\displaystyle CC\displaystyle C^{\prime}의 교점은 (12a,a14a3)\displaystyle \left(\frac1{2a},a-\frac1{4a^3}\right)이므로곡선 C\displaystyle C가 지나간 영역은 그림의 색칠한 부분과 같다.

두 곡선의 내부가 겹치는 경우 지나간 영역
+7점 · a>12\displaystyle a>\frac1{\sqrt2}일 때 두 곡선의 위치관계를 파악하고, 곡선이 지나간 영역의 넓이 S\displaystyle SS=1+43a2a+1a12a{1a(x1a)2+a}dx12aa(1ax2+a)dx\displaystyle S=1+\frac43a^2-\int_{-a+\frac1a}^{\frac1{2a}}\left\{-\frac1a\left(x-\frac1a\right)^2+a\right\}dx-\int_{\frac1{2a}}^a\left(-\frac1a x^2+a\right)dx로 나타낼 수 있다.

이 영역의 넓이 S\displaystyle S는 ⅰ)에서 구한 넓이에서닫힌구간 [a+1a,12a]\displaystyle \left[-a+\frac1a,\frac1{2a}\right]에서 y=1a(x1a)2+a\displaystyle y=-\frac1a\left(x-\frac1a\right)^2+ax\displaystyle x축으로 둘러싸인 부분의 넓이와닫힌구간 [12a,a]\displaystyle \left[\frac1{2a},a\right]에서 y=1ax2+a\displaystyle y=-\frac1a x^2+a x\displaystyle x축으로 둘러싸인 부분의 넓이를 뺀 값이다.따라서S=1+43a2a+1a12a{1a(x1a)2+a}dx12aa(1ax2+a)dx\displaystyle S=1+\frac43a^2-\int_{-a+\frac1a}^{\frac1{2a}}\left\{-\frac1a\left(x-\frac1a\right)^2+a\right\}dx-\int_{\frac1{2a}}^a\left(-\frac1a x^2+a\right)dx

+3점 · a>12\displaystyle a>\frac1{\sqrt2}일 때 S=2112a4\displaystyle S=2-\frac1{12a^4}를 구할 수 있다.

S=1+43a2212aa(1ax2+a)dx=1+43a22[13ax3+ax]12aa=1+43a22(a23+a2+124a412)=2112a4\displaystyle \begin{aligned}S&=1+\frac43a^2-2\int_{\frac1{2a}}^a\left(-\frac1a x^2+a\right)dx\\&=1+\frac43a^2-2\Biggl[-\frac1{3a}x^3+ax\Biggr]_{\frac1{2a}}^a\\&=1+\frac43a^2-2\left(-\frac{a^2}3+a^2+\frac1{24a^4}-\frac12\right)\\&=2-\frac1{12a^4}\end{aligned}이다.

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