수리논술, 이게 다다.

자연계열 C 3번

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문제

[문제 3] x≥0\displaystyle x\ge0에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 다음 조건을 만족시킨다.

(가) x>0\displaystyle x>0에서 f(x)\displaystyle f(x)는 두 번 미분가능하고 f(x)>0\displaystyle f(x)>0, f′(x)>0\displaystyle f\prime(x)>0, f′′(x)>0\displaystyle f\prime\prime(x)>0이다.

(나) 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))에서의 접선이 점 A(0,−2)\displaystyle \mathrm A(0,-\sqrt2)를 지난다. (단, a>0\displaystyle a>0)

곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 직선 y=−2\displaystyle y=-\sqrt2 및 두 직선 x=0\displaystyle x=0, x=2a\displaystyle x=2a로 둘러싸인 도형을 S\displaystyle S라 하자.

도형 S\displaystyle S에서 점 A와 점 (x,f(x))\displaystyle (x,f(x)) (0≤x≤2a\displaystyle 0\le x\le2a)를 잇는 가장 짧은 경로의 길이를 ℓ(x)\displaystyle \ell(x)라 하자.

(3-1) x=a\displaystyle x=a에서 ℓ(x)\displaystyle \ell(x)가 미분가능함을 보이시오. (80점)

(3-2) ℓ(x)=x33+x2+53\displaystyle \ell(x)=\frac{x^3}3+x^2+\frac53일 때 접점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))를 구하시오. (80점)

(3-3) (3-2)의 ℓ(x)\displaystyle \ell(x)에 대하여 f(x)\displaystyle f(x) (0≤x≤2a\displaystyle 0\le x\le2a)를 구하시오. (80점)

해설강의 준비중
+40점 · ℓ(x)={x2+{f(x)+2}2(0≤x≤a)a2+{f(a)+2}2+∫ax1+{f′(t)}2 dt(a<x≤2a)\displaystyle \ell(x)=\begin{cases}\sqrt{x^2+\{f(x)+\sqrt2\}^2}&(0\le x\le a)\\\sqrt{a^2+\{f(a)+\sqrt2\}^2}+\int_a^x\sqrt{1+\{f\prime(t)\}^2}\,dt&(a<x\le2a)\end{cases}를 구하면

(3-1) y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프가 아래로 볼록하므로 문제의 조건에 부합하는 가장 짧은 경로는 0≤x≤a\displaystyle 0\le x\le a일 때는 A와 (x,f(x))\displaystyle (x,f(x))를 잇는 선분이며, a<x≤2a\displaystyle a<x\le2a일 때는 A와 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))를 선분으로 연결한 후 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)를 따라 이동해야 한다. 따라서 ℓ(x)\displaystyle \ell(x)는 다음과 같이 주어진다.ℓ(x)={x2+{f(x)+2}2(0≤x≤a)a2+{f(a)+2}2+∫ax1+{f′(t)}2 dt(a<x≤2a)\displaystyle \ell(x)=\begin{cases}\sqrt{x^2+\{f(x)+\sqrt2\}^2}&(0\le x\le a)\\\sqrt{a^2+\{f(a)+\sqrt2\}^2}+\int_a^x\sqrt{1+\{f\prime(t)\}^2}\,dt&(a<x\le2a)\end{cases}

+20점 · −af′(a)+f(a)=−2\displaystyle -af\prime(a)+f(a)=-\sqrt2 또는 이와 동등한 관계를 얻으면

점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))에서 y=f(x)\displaystyle y=f(x)에 접하는 접선의 방정식은 y=f′(a)(x−a)+f(a)\displaystyle y=f\prime(a)(x-a)+f(a)이므로 접선이 A를 지나기 위해서는 −af′(a)+f(a)=−2\displaystyle -af\prime(a)+f(a)=-\sqrt2이다.

+20점 · 좌우의 미분계수를 나누어 생각하여 각각 1+{f′(a)}2\displaystyle \sqrt{1+\{f\prime(a)\}^2}임을 얻어 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능함을 보이면

lim⁡h→0+ℓ(a+h)−ℓ(a)h=1+{f′(a)}2\displaystyle \lim_{h\to0+}\frac{\ell(a+h)-\ell(a)}h=\sqrt{1+\{f\prime(a)\}^2}이고lim⁡h→0−ℓ(a+h)−ℓ(a)h=122a+2{f(a)+2}f′(a)a2+{f(a)+2}2=a+a{f′(a)}2a2+a2{f′(a)}2=1+{f′(a)}2\displaystyle \lim_{h\to0-}\frac{\ell(a+h)-\ell(a)}h=\frac12\frac{2a+2\{f(a)+\sqrt2\}f\prime(a)}{\sqrt{a^2+\{f(a)+\sqrt2\}^2}}=\frac{a+a\{f\prime(a)\}^2}{\sqrt{a^2+a^2\{f\prime(a)\}^2}}=\sqrt{1+\{f\prime(a)\}^2}이므로ℓ(x)\displaystyle \ell(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능하고 ℓ′(a)=1+{f′(a)}2\displaystyle \ell\prime(a)=\sqrt{1+\{f\prime(a)\}^2}이다.

+50점 · ℓ(a)=aℓ′(a)\displaystyle \ell(a)=a\ell\prime(a)를 얻으면

(3-2) ℓ(a)=a2+{f(a)+2}2=a2+{af′(a)}2=a1+{f′(a)}2=aℓ′(a)\displaystyle \ell(a)=\sqrt{a^2+\{f(a)+\sqrt2\}^2}=\sqrt{a^2+\{af\prime(a)\}^2}=a\sqrt{1+\{f\prime(a)\}^2}=a\ell\prime(a)이다.

+20점

따라서 a33+a2+53=ℓ(a)=aℓ′(a)=a(a2+2a)\displaystyle \frac{a^3}3+a^2+\frac53=\ell(a)=a\ell\prime(a)=a(a^2+2a)이다.따라서 13(2a3+3a2−5)=13(a−1)(2a2+5a+5)=0\displaystyle \frac13(2a^3+3a^2-5)=\frac13(a-1)(2a^2+5a+5)=0을 얻고, a=1\displaystyle a=1이다.

+10점 · f(1)=2\displaystyle f(1)=\sqrt2 또는 접점 (1,2)\displaystyle (1,\sqrt2)를 쓰면

그런데 ℓ(1)=13+1+53=3=1+{f(1)+2}2\displaystyle \ell(1)=\frac13+1+\frac53=3=\sqrt{1+\{f(1)+\sqrt2\}^2}이므로 f(1)=2\displaystyle f(1)=\sqrt2이고 접점은 (1,2)\displaystyle (1,\sqrt2)이다.

+10점 · f′(x)=(1+x)x2+2x−1\displaystyle f\prime(x)=(1+x)\sqrt{x^2+2x-1}을 얻으면

(3-3) (1≤x≤2\displaystyle 1\le x\le2인 경우)ℓ′(x)=1+{f′(x)}2=x2+2x\displaystyle \ell\prime(x)=\sqrt{1+\{f\prime(x)\}^2}=x^2+2x이므로{f′(x)}2=(x2+2x)2−1=(x+1)2(x2+2x−1)\displaystyle \{f\prime(x)\}^2=(x^2+2x)^2-1=(x+1)^2(x^2+2x-1)이다. 그런데 f′(x)>0\displaystyle f\prime(x)>0이므로 f′(x)=(1+x)x2+2x−1\displaystyle f\prime(x)=(1+x)\sqrt{x^2+2x-1}이다.

+30점 · f(x)=13(x2+2x−1)3/2+C\displaystyle f(x)=\frac13(x^2+2x-1)^{3/2}+C를 얻으면

f′(x)\displaystyle f\prime(x)를 적분하여 f(x)=13(x2+2x−1)3/2+C\displaystyle f(x)=\frac13(x^2+2x-1)^{3/2}+C를 얻는다.

+10점 · C=23\displaystyle C=\frac{\sqrt2}3을 얻으면

그런데 f(1)=2\displaystyle f(1)=\sqrt2이므로 C=23\displaystyle C=\frac{\sqrt2}3이다.

+20점 · ℓ(x)=x2+{f(x)+2}2=x33+x2+53\displaystyle \ell(x)=\sqrt{x^2+\{f(x)+\sqrt2\}^2}=\frac{x^3}3+x^2+\frac53를 얻으면

(0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1인 경우)ℓ(x)=x2+{f(x)+2}2=x33+x2+53\displaystyle \ell(x)=\sqrt{x^2+\{f(x)+\sqrt2\}^2}=\frac{x^3}3+x^2+\frac53이다.

+10점 · f(x)={(x33+x2+53)2−x2}1/2−2\displaystyle f(x)=\left\{\left(\frac{x^3}3+x^2+\frac53\right)^2-x^2\right\}^{1/2}-\sqrt2를 얻으면

따라서 {f(x)+2}2=(x33+x2+53)2−x2\displaystyle \{f(x)+\sqrt2\}^2=\left(\frac{x^3}3+x^2+\frac53\right)^2-x^2인데 f(x)>0\displaystyle f(x)>0이므로f(x)={(x33+x2+53)2−x2}1/2−2\displaystyle f(x)=\left\{\left(\frac{x^3}3+x^2+\frac53\right)^2-x^2\right\}^{1/2}-\sqrt2이다.

정리하면 f(x)\displaystyle f(x)는 다음과 같고 문제의 조건을 모두 만족시킨다.

f(x)={{(x33+x2+53)2−x2}1/2−2(0≤x≤1)13(x2+2x−1)3/2+23(1<x≤2)\displaystyle f(x)=\begin{cases}\left\{\left(\frac{x^3}3+x^2+\frac53\right)^2-x^2\right\}^{1/2}-\sqrt2&(0\le x\le1)\\\frac13(x^2+2x-1)^{3/2}+\frac{\sqrt2}3&(1<x\le2)\end{cases}

(3-3) 다음과 같이 1≤x≤2\displaystyle 1\le x\le2인 경우 50점, 0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1인 경우 30점으로 채점하여 합산한다.

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