수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 D 1번

문제

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[문제 1]

+20점 · a0ln3etf(t)dt=1\displaystyle a\int_0^{\ln3}e^{-t}f(t)\,dt=1까지 구하면

(1-1) x=0\displaystyle x=0을 대입하면 0=1a0ln3etf(t)dt\displaystyle 0=1-a\int_0^{\ln3}e^{-t}f(t)\,dt이므로 a0ln3etf(t)dt=1\displaystyle a\int_0^{\ln3}e^{-t}f(t)\,dt=1이다.

+30점 · f(x)=ex3e3x\displaystyle f(x)=e^x-3e^{3x}를 구하면

따라서 0xf(t)dt=exe3x\displaystyle \int_0^xf(t)\,dt=e^x-e^{3x}이다.양변을 x\displaystyle x에 대하여 미분하면 f(x)=ex3e3x\displaystyle f(x)=e^x-3e^{3x}이다.

+20점 · a=1ln312\displaystyle a=\frac1{\ln3-12}를 구하면

1=a0ln3etf(t)dt=a0ln3(13e2t)dt\displaystyle 1=a\int_0^{\ln3}e^{-t}f(t)\,dt=a\int_0^{\ln3}(1-3e^{2t})\,dt이므로 a=1ln312\displaystyle a=\frac1{\ln3-12}이다.

(1-2) 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)y=ex\displaystyle y=e^x은 (그림 1)과 같다.

지수함수와 함수 f의 그래프 그림 1
+30점 · A(x)=3xe3x\displaystyle A(x)=-3xe^{3x}를 보이면

꼭지점의 좌표는 (x,ex)\displaystyle (x,e^x), (x,ex3e3x)\displaystyle (x,e^x-3e^{3x}), (0,ex)\displaystyle (0,e^x), (0,ex3e3x)\displaystyle (0,e^x-3e^{3x})이므로, 직사각형의 넓이는 A(x)=3xe3x\displaystyle A(x)=-3xe^{3x}이다.

+20점 · A(x)\displaystyle A(x)x=13\displaystyle x=-\frac13에서 최대임을 보이면

A(x)=3e3x(1+3x)\displaystyle A\prime(x)=-3e^{3x}(1+3x)이므로, A(13)=0\displaystyle A\prime\left(-\frac13\right)=0이고, x<13\displaystyle x<-\frac13에서 A(x)>0\displaystyle A\prime(x)>0이고, x>13\displaystyle x>-\frac13에서 A(x)<0\displaystyle A\prime(x)<0이다. 따라서 함수 A(x)\displaystyle A(x)x=13\displaystyle x=-\frac13에서 최대가 되고,

+30점 · 최댓값 A(13)=e1\displaystyle A\left(-\frac13\right)=e^{-1}을 구하면

최댓값은 A(13)=e1\displaystyle A\left(-\frac13\right)=e^{-1}이다.

+20점 · 직선 2\displaystyle \ell_2의 방정식 y=29\displaystyle y=\frac29을 구하면

(1-3) f(x)=ex9e3x=ex(19e2x)\displaystyle f\prime(x)=e^x-9e^{3x}=e^x(1-9e^{2x})이므로, f(ln3)=0\displaystyle f\prime(-\ln3)=0이고, x<ln3\displaystyle x<-\ln3에서 f(x)>0\displaystyle f\prime(x)>0이고, x>ln3\displaystyle x>-\ln3에서 f(x)<0\displaystyle f\prime(x)<0이다.따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=ln3\displaystyle x=-\ln3에서 최대가 되고, 이 때 최댓값은 f(ln3)=29\displaystyle f(-\ln3)=\frac29이므로, 직선 2\displaystyle \ell_2의 방정식은 y=29\displaystyle y=\frac29이다.

+30점 · 접선 1\displaystyle \ell_1의 방정식 y=8x2\displaystyle y=-8x-2을 구하면

f(x)=ex3e3x\displaystyle f(x)=e^x-3e^{3x}이므로, P=(0,2)\displaystyle \mathrm P=(0,-2)이다. f(0)=8\displaystyle f\prime(0)=-8이므로 접선 1\displaystyle \ell_1의 방정식은 y=8x2\displaystyle y=-8x-2이다.

+10점 · 두 직선 1\displaystyle \ell_12\displaystyle \ell_2의 교점의 x\displaystyle x좌표 518\displaystyle -\frac5{18}를 구하면

8x2=29\displaystyle -8x-2=\frac29로부터 직선 1\displaystyle \ell_12\displaystyle \ell_2의 교점의 x\displaystyle x좌표는 518\displaystyle -\frac5{18}이다.

+20점 · 영역의 넓이 29ln3181\displaystyle \frac29\ln3-\frac1{81}을 구하면

따라서 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 직선 1\displaystyle \ell_1, 2\displaystyle \ell_2로 둘러싸인 영역의 넓이는 다음과 같다.(아래 (그림 2) 참고) ln3518(29ex+3e3x)dx+5180(8x2ex+3e3x)dx=29ln3181\displaystyle \int_{-\ln3}^{-\frac5{18}}\left(\frac29-e^x+3e^{3x}\right)\,dx+\int_{-\frac5{18}}^0(-8x-2-e^x+3e^{3x})\,dx=\frac29\ln3-\frac1{81}

곡선 f와 두 접선으로 둘러싸인 영역 그림 2

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