수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 B 3번

문제

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해설강의 준비중

(3-1) 좌표평면에서 점 A의 좌표를 (0,0)\displaystyle (0,0)이라 두면, 점 P(s)\displaystyle \mathrm P(s)의 좌표는 다음과 같다.

P(s)={(0,s)0s1(s1,1)1sa+1(a,a+2s)a+1sa+2(2a+2s,0)a+2s2a+2\displaystyle \mathrm P(s)=\begin{cases}(0,s)&0\le s\le1\\(s-1,1)&1\le s\le a+1\\(a,a+2-s)&a+1\le s\le a+2\\(2a+2-s,0)&a+2\le s\le2a+2\end{cases}

+40점 · 모든 경우의 f(s)\displaystyle f(s)를 구하면

따라서 f(s)\displaystyle f(s)는 다음과 같이 구하여진다.f(s)={s0s1(s1)2+11sa+1(sa2)2+a2a+1sa+22a+2sa+2s2a+2\displaystyle f(s)=\begin{cases}s&0\le s\le1\\\sqrt{(s-1)^2+1}&1\le s\le a+1\\\sqrt{(s-a-2)^2+a^2}&a+1\le s\le a+2\\2a+2-s&a+2\le s\le2a+2\end{cases}

+40점 · 2\displaystyle \ell_2의 방정식 y=22(s2)+2\displaystyle y=\frac{\sqrt2}2(s-2)+\sqrt2 또는 y=22s\displaystyle y=\frac{\sqrt2}2s를 구하면

1<s<a+1\displaystyle 1<s<a+1에서 f(s)=s22s+2\displaystyle f(s)=\sqrt{s^2-2s+2}로부터 f(s)=s1s22s+2\displaystyle f\prime(s)=\frac{s-1}{\sqrt{s^2-2s+2}}을 얻어, f(2)=2\displaystyle f(2)=\sqrt2이고, f(2)=22\displaystyle f\prime(2)=\frac{\sqrt2}2이므로, 구하는 접선의 방정식은 y=22(s2)+2\displaystyle y=\frac{\sqrt2}2(s-2)+\sqrt2, 즉 y=22s\displaystyle y=\frac{\sqrt2}2s이다.

+20점 · f\displaystyle f의 볼록성을 보이면

(3-2) 1<s<a+1\displaystyle 1<s<a+1에서 f(s)=s1s22s+2>0\displaystyle f\prime(s)=\frac{s-1}{\sqrt{s^2-2s+2}}>0, f(s)=1(s22s+2)3/2>0\displaystyle f\prime\prime(s)=\frac1{(s^2-2s+2)^{3/2}}>0이므로 y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 아래로 볼록인 함수이며 증가한다. 또한 a+1<s<a+2\displaystyle a+1<s<a+2에서f(s)=sa2s22(a+2)s+2a2+4a+4<0\displaystyle f\prime(s)=\frac{s-a-2}{\sqrt{s^2-2(a+2)s+2a^2+4a+4}}<0,f(s)=a2(s22(a+2)s+2a2+4a+4)3/2>0\displaystyle f\prime\prime(s)=\frac{a^2}{(s^2-2(a+2)s+2a^2+4a+4)^{3/2}}>0이므로 y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 아래로 볼록인 함수이며 감소한다.

+20점 · 볼록성이 보이는 y=f(s)\displaystyle y=f(s)의 그래프가 있으면

따라서 0s2a+2\displaystyle 0\le s\le2a+2에서 y=f(s)\displaystyle y=f(s)의 그래프의 개형은 다음과 같다.

+20점 · (f\displaystyle f의 볼록성을 보이고) 1<α2\displaystyle 1<\alpha\le2일 때 α\displaystyle \ell_\alphay=f(s)\displaystyle y=f(s)의 교점의 개수가 3\displaystyle 3이고, 2<α<a+1\displaystyle 2<\alpha<a+1일 때 α\displaystyle \ell_\alphay=f(s)\displaystyle y=f(s)의 교점의 개수가 2\displaystyle 2임을 보이면

1<α<a+1\displaystyle 1<\alpha<a+1일 때, α22α+2α=f(α)0α0=f(α)=α1α22α+2\displaystyle \frac{\sqrt{\alpha^2-2\alpha+2}}\alpha=\frac{f(\alpha)-0}{\alpha-0}=f\prime(\alpha)=\frac{\alpha-1}{\sqrt{\alpha^2-2\alpha+2}}을 이용하여 α\displaystyle \ell_\alpha(0,0)\displaystyle (0,0)을 지나는 α\displaystyle \alpha를 구하면 α=2\displaystyle \alpha=2이다. 그런데 1<s<a+1\displaystyle 1<s<a+1에서 y=f(s)\displaystyle y=f(s)는 아래로 볼록한 증가함수이므로 1<α2\displaystyle 1<\alpha\le2일 때 α\displaystyle \ell_\alphas\displaystyle s절편은 0\displaystyle 0보다 작거나 같고 α\displaystyle \ell_\alphay=f(s)\displaystyle y=f(s)의 접점을 포함한 교점의 개수는 3\displaystyle 3이다. 2<α<a+1\displaystyle 2<\alpha<a+1일 때는 α\displaystyle \ell_\alphas\displaystyle s절편이 0\displaystyle 0보다 크고 a+1\displaystyle a+1보다 작으므로 α\displaystyle \ell_\alphay=f(s)\displaystyle y=f(s)의 접점을 포함한 교점의 개수는 2\displaystyle 2이다.

2<a+1<β<a+2\displaystyle 2<a+1<\beta<a+2일 때,β22(a+2)β+2a2+4a+4(2a+2)β=0f(β)(2a+2)β=f(β)=βa2β22(a+2)β+2a2+4a+4\displaystyle -\frac{\sqrt{\beta^2-2(a+2)\beta+2a^2+4a+4}}{(2a+2)-\beta}=\frac{0-f(\beta)}{(2a+2)-\beta}=f\prime(\beta)=\frac{\beta-a-2}{\sqrt{\beta^2-2(a+2)\beta+2a^2+4a+4}}를 이용하여 β\displaystyle \ell_\beta(2a+2,0)\displaystyle (2a+2,0)을 지나는 β\displaystyle \beta를 구하면 β=2\displaystyle \beta=2이고 β>2\displaystyle \beta>2인 것에 모순이다.

+20점 · (f\displaystyle f의 볼록성을 보이고) a+1<β<a+2\displaystyle a+1<\beta<a+2에서 β\displaystyle \ell_\betay=f(s)\displaystyle y=f(s)의 교점의 개수가 3\displaystyle 3임을 보이면

a+1<s<a+2\displaystyle a+1<s<a+2에서 y=f(s)\displaystyle y=f(s)가 아래로 볼록한 감소함수이므로, 위 모순은 β\displaystyle \ell_\betas\displaystyle s절편이 2a+2\displaystyle 2a+2보다 작거나 같을 수 없음을 의미한다. 그러므로 a+1<β<a+2\displaystyle a+1<\beta<a+2에서 β\displaystyle \ell_\betas\displaystyle s절편은 2a+2\displaystyle 2a+2보다 크고, β\displaystyle \ell_\betay=f(s)\displaystyle y=f(s)의 접점을 포함한 교점의 개수는 3\displaystyle 3이다.

(3-3) 1<α<a+1\displaystyle 1<\alpha<a+1에서의 접선 α\displaystyle \ell_\alphas\displaystyle s축의 양의 방향과 이루는 각을 θα\displaystyle \theta_\alpha라 하면 tanθα=f(α)=α1α22α+2\displaystyle \tan\theta_\alpha=f\prime(\alpha)=\frac{\alpha-1}{\sqrt{\alpha^2-2\alpha+2}}이다. 또 a+1<β<a+2\displaystyle a+1<\beta<a+2에서의 접선 β\displaystyle \ell_\betas\displaystyle s축의 양의 방향과 이루는 각을 θβ\displaystyle \theta_\beta라 하면 tanθβ=f(β)=βa2β22(a+2)β+2a2+4a+4\displaystyle \tan\theta_\beta=f\prime(\beta)=\frac{\beta-a-2}{\sqrt{\beta^2-2(a+2)\beta+2a^2+4a+4}}이다.

+10점 · θ(α,β)=πθβ+θα\displaystyle \theta(\alpha,\beta)=\pi-\theta_\beta+\theta_\alpha

1<α<a+1\displaystyle 1<\alpha<a+1에서 0<α1α22α+2<1\displaystyle 0<\frac{\alpha-1}{\sqrt{\alpha^2-2\alpha+2}}<1이고, a+1<β<a+2\displaystyle a+1<\beta<a+2에서 1<βa2β22(a+2)β+2a2+4a+4<0\displaystyle -1<\frac{\beta-a-2}{\sqrt{\beta^2-2(a+2)\beta+2a^2+4a+4}}<0이므로 0<θα<π4\displaystyle 0<\theta_\alpha<\frac\pi4이고, 3π4<θβ<π\displaystyle \frac{3\pi}4<\theta_\beta<\pi이다. 따라서 α\displaystyle \ell_\alphaβ\displaystyle \ell_\beta가 이루는 예각 θ(α,β)\displaystyle \theta(\alpha,\beta)θ(α,β)=πθβ+θα\displaystyle \theta(\alpha,\beta)=\pi-\theta_\beta+\theta_\alpha이다.

+30점 · lima0+L(a)=0\displaystyle \lim_{a\to0+}L(a)=0을 구하면

Correction. (3-3) 채점기준의 a0+\displaystyle a\to0+a\displaystyle a\to\infty의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

이제, limα1+α1α22α+2=0\displaystyle \lim_{\alpha\to1+}\frac{\alpha-1}{\sqrt{\alpha^2-2\alpha+2}}=0이고, limβ(a+2)βa2β22(a+2)β+2a2+4a+4=0\displaystyle \lim_{\beta\to(a+2)-}\frac{\beta-a-2}{\sqrt{\beta^2-2(a+2)\beta+2a^2+4a+4}}=0이므로 a\displaystyle a값에 상관없이 L(a)=ππ+0=0\displaystyle L(a)=\pi-\pi+0=0이다.

+40점 · limaR(a)=π4\displaystyle \lim_{a\to\infty}R(a)=\frac\pi4를 구하면

또한 limα(a+1)α1α22α+2=aa2+1\displaystyle \lim_{\alpha\to(a+1)-}\frac{\alpha-1}{\sqrt{\alpha^2-2\alpha+2}}=\frac a{\sqrt{a^2+1}},limβ(a+1)+βa2β22(a+2)β+2a2+4a+4=1a2+1\displaystyle \lim_{\beta\to(a+1)+}\frac{\beta-a-2}{\sqrt{\beta^2-2(a+2)\beta+2a^2+4a+4}}=\frac{-1}{\sqrt{a^2+1}}이고, limaaa2+1=1\displaystyle \lim_{a\to\infty}\frac a{\sqrt{a^2+1}}=1, lima1a2+1=0\displaystyle \lim_{a\to\infty}\frac{-1}{\sqrt{a^2+1}}=0이므로 limaR(a)=ππ+π4=π4\displaystyle \lim_{a\to\infty}R(a)=\pi-\pi+\frac\pi4=\frac\pi4이다.

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