수리논술, 이게 다다.

자연계열 A 1번

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문제

[문제 1] 아래 글을 읽고, 각 물음에 답하시오.

좌표평면에 곡선 C:y=12(ex+e−x)\displaystyle C:y=\frac12(e^x+e^{-x})이 있다. 점 P와 Q는 곡선 C\displaystyle C 위에서 시각 t\displaystyle t가 증가할 때 x\displaystyle x좌표가 증가하는 방향으로 움직인다.

시각 t=0\displaystyle t=0일 때, 점 P와 Q는 다음을 만족시킨다.

(가) 점 P의 좌표는 (0,1)\displaystyle (0,1)이다.

(나) 점 Q는 제1사분면에 위치한다.

(다) 점 (0,1)\displaystyle (0,1)로부터 Q까지의 C\displaystyle C의 길이는 3이다.

(1-1) 곡선 C\displaystyle C의 x=0\displaystyle x=0에서 x=1\displaystyle x=1까지의 길이를 구하시오. (60점)

(1-2) 시각 t=0\displaystyle t=0일 때, 점 Q의 좌표를 구하시오. (60점)

(1-3) 점 P와 Q가 시각 t\displaystyle t에서 각각 다음과 같은 속력으로 움직인다.

u(t)=6t2−8t+14,v(t)=3t2+4t+5\displaystyle u(t)=6t^2-8t+14,\quad v(t)=3t^2+4t+5

시간 t≥0\displaystyle t\ge0에서 점 P와 Q가 만나는 횟수를 구하시오. (60점)

해설강의 준비중

[문제 1]

f(x)=12(ex+e−x)\displaystyle f(x)=\frac12(e^x+e^{-x})라 하자.

(1-1) x=0\displaystyle x=0에서 x=1\displaystyle x=1까지의 곡선의 길이는

20점 · ∫011+(et−e−t2)2 dt\displaystyle \int_0^1\sqrt{1+\left(\frac{e^t-e^{-t}}2\right)^2}\,dt까지

∫011+{f′(t)}2 dt=∫011+(et−e−t2)2 dt\displaystyle \int_0^1\sqrt{1+\{f\prime(t)\}^2}\,dt=\int_0^1\sqrt{1+\left(\frac{e^t-e^{-t}}2\right)^2}\,dt

40점 · ∫01et+e−t2 dt\displaystyle \int_0^1\frac{e^t+e^{-t}}2\,dt까지

=∫01et+e−t2 dt\displaystyle =\int_0^1\frac{e^t+e^{-t}}2\,dt

60점 · e−e−12\displaystyle \frac{e-e^{-1}}2

=e−e−12=12(e−1e)\displaystyle =\frac{e-e^{-1}}2=\frac12\left(e-\frac1e\right)

이다.

(1-2) x>0\displaystyle x>0일 때, 점 (0,1)\displaystyle (0,1)로부터 점 (x,f(x))\displaystyle (x,f(x))까지 곡선의 길이는

30점 · ∫0x1+{f′(t)}2 dt=12(ex−1ex)\displaystyle \int_0^x\sqrt{1+\{f\prime(t)\}^2}\,dt=\frac12\left(e^x-\frac1{e^x}\right)까지

∫0x1+{f′(t)}2 dt=∫0x1+(et−e−t2)2 dt=∫0xet+e−t2 dt=ex−e−x2=12(ex−1ex)\displaystyle \int_0^x\sqrt{1+\{f\prime(t)\}^2}\,dt=\int_0^x\sqrt{1+\left(\frac{e^t-e^{-t}}2\right)^2}\,dt=\int_0^x\frac{e^t+e^{-t}}2\,dt=\frac{e^x-e^{-x}}2=\frac12\left(e^x-\frac1{e^x}\right)

이다.

50점 · x=ln⁡(3+10)\displaystyle x=\ln(3+\sqrt{10})까지

12(ex−e−x)=3\displaystyle \frac12(e^x-e^{-x})=3으로부터 e2x−6ex−1=0\displaystyle e^{2x}-6e^x-1=0이므로 x=ln⁡(3+10)\displaystyle x=\ln(3+\sqrt{10})이다.

60점

이 때, y=f(x)\displaystyle y=f(x)에 대입하면 y=10\displaystyle y=\sqrt{10}. 따라서 t=0\displaystyle t=0일 때, 점 Q의 좌표는 (ln⁡(3+10),10)\displaystyle (\ln(3+\sqrt{10}),\sqrt{10})이다.

+10점

(1-3) 시각 t\displaystyle t에서 점 (0,1)\displaystyle (0,1)과 점 P 사이의 곡선의 길이는 ∫0tu(z) dz=2t3−4t2+14t\displaystyle \int_0^tu(z)\,dz=2t^3-4t^2+14t이다.

+10점

시각 t\displaystyle t에서 점 (0,1)\displaystyle (0,1)과 점 Q 사이의 곡선의 길이는3+∫0tv(z) dz=t3+2t2+5t+3\displaystyle 3+\int_0^tv(z)\,dz=t^3+2t^2+5t+3이다.

+10점

∫0tu(z) dz=3+∫0tv(z) dz\displaystyle \int_0^tu(z)\,dz=3+\int_0^tv(z)\,dz로부터 t3−6t2+9t−3=0\displaystyle t^3-6t^2+9t-3=0이다.

+30점 · g(t)=t3−6t2+9t−3\displaystyle g(t)=t^3-6t^2+9t-3의 그래프의 개형을 이해하여 x\displaystyle x축과 3번 만남을 보이면

g(t)=t3−6t2+9t−3\displaystyle g(t)=t^3-6t^2+9t-3라 하면, g′(t)=3(t−1)(t−3)\displaystyle g\prime(t)=3(t-1)(t-3)이다.g(t)\displaystyle g(t)는 3차 함수이고 g(0)=−3\displaystyle g(0)=-3, g(1)=1\displaystyle g(1)=1, g(3)=−3\displaystyle g(3)=-3이므로, t≥0\displaystyle t\ge0에서 점 P와 Q는 3번 만난다.

(1-2) x=ln⁡(3±10)\displaystyle x=\ln(3\pm\sqrt{10})까지: 40점

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