수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (총34점)

(가) 다음 그림은 곡선 y=e2x+e−2x4\displaystyle y=\frac{e^{2x}+e^{-2x}}4의 형태로 설계된 레일 장치이다. 점 A를 출발한 공은 레일을 따라 운동한다. (단, 공의 크기는 무시한다.)

레일 위의 점 A와 최저점 P 및 x=ln3, x=−ln5에 설치된 센서 B, C

(나) 공은 점 A에서 최저점인 점 P (x=0\displaystyle x=0)까지 내려온 이동거리의 710\displaystyle \frac7{10}만큼 레일 왼편으로 올라간 뒤, 왼편에서 공이 내려온 이동거리의 710\displaystyle \frac7{10}만큼 레일 오른편으로 올라간다. 이와 같은 방식으로 공은 레일 양쪽을 오가면서 점 P에서 멈출 때까지 계속 운동한다.

(다) 점 B와 점 C에 설치된 센서는 공이 지나갈 때 작동하며, 공의 운동에는 영향을 주지 않는다.

(라) 필요할 경우 다음 값들을 이용한다.log⁡2=0.30,log⁡3=0.48,log⁡5=0.70,log⁡7=0.85\displaystyle \log2=0.30,\quad\log3=0.48,\quad\log5=0.70,\quad\log7=0.85

[1.1] 점 A에서 점 P까지 공의 이동거리를 구하시오. (8점)

[1.2] 점 C에 있는 센서는 작동하는가? (8점)

[1.3] 점 B에 있는 센서는 몇 번 작동하는가? (12점)

[1.4] 공이 멈출 때까지 움직인 총 이동거리를 구하시오. (6점)

해설강의 준비중

[1.1] 점 A와 점 P 사이에서 공의 이동거리는 곡선의 길이와 같다. dydx=e2x−e−2x2\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{e^{2x}-e^{-2x}}2이므로, 이동거리 d\displaystyle d는 다음과 같다.d=∫0ln⁡71+(dydx)2 dx=∫0ln⁡71+(e2x−e−2x2)2 dx=∫0ln⁡7(e2x+e−2x2)2 dx=∫0ln⁡7e2x+e−2x2 dx=14[e2x−e−2x]0ln⁡7=60049\displaystyle \begin{aligned}d&=\int_0^{\ln7}\sqrt{1+\left(\frac{dy}{dx}\right)^2}\,dx=\int_0^{\ln7}\sqrt{1+\left(\frac{e^{2x}-e^{-2x}}2\right)^2}\,dx=\int_0^{\ln7}\sqrt{\left(\frac{e^{2x}+e^{-2x}}2\right)^2}\,dx\\&=\int_0^{\ln7}\frac{e^{2x}+e^{-2x}}2\,dx=\frac14\Biggl[e^{2x}-e^{-2x}\Biggr]_0^{\ln7}=\frac{600}{49}\end{aligned}

[1.2] 점 P를 지난 공은 레일의 왼편으로 60049×710=607\displaystyle \frac{600}{49}\times\frac7{10}=\frac{60}7만큼 위로 올라간다. 점 P에서 센서가 있는 점 C까지 공의 이동거리는 함수 y\displaystyle y가 좌우대칭이므로 x\displaystyle x좌표가 0\displaystyle 0에서 ln⁡5\displaystyle \ln5까지의 곡선 길이와 같다. 이를 계산하면∫0ln⁡5e2x+e−2x2 dx=14[e2x−e−2x]0ln⁡5=15625\displaystyle \int_0^{\ln5}\frac{e^{2x}+e^{-2x}}2\,dx=\frac14\Biggl[e^{2x}-e^{-2x}\Biggr]_0^{\ln5}=\frac{156}{25}이 된다. 이 두 개의 값을 비교하면 607>15625\displaystyle \frac{60}7>\frac{156}{25}이다. 따라서 공은 센서가 있는 곳보다 더 높은 곳까지 운동하므로 센서는 작동한다.

[1.3] 점 P와 점 B 사이의 곡선 길이를 구하면,∫0ln⁡3e2x+e−2x2 dx=14[e2x−e−2x]0ln⁡3=209\displaystyle \int_0^{\ln3}\frac{e^{2x}+e^{-2x}}2\,dx=\frac14\Biggl[e^{2x}-e^{-2x}\Biggr]_0^{\ln3}=\frac{20}9이다. 공의 이동거리 (710)nd\displaystyle \left(\frac7{10}\right)^nd (n\displaystyle n은 자연수)가 209\displaystyle \frac{20}9보다 크면 점 B에 있는 센서는 작동된다. 그러므로,(710)nd≥209⇒(710)n≥209×49600=49270\displaystyle \left(\frac7{10}\right)^nd\geq\frac{20}9\quad\Rightarrow\quad\left(\frac7{10}\right)^n\geq\frac{20}9\times\frac{49}{600}=\frac{49}{270}를 만족하는 n\displaystyle n을 찾으면 된다. 여기서 양변에 로그를 취하면n(log⁡7−log⁡10)≥(log⁡49−log⁡270)\displaystyle n(\log7-\log10)\geq(\log49-\log270)이다. 제시문에서 주어진 로그값을 대입하여 정리하면 다음과 같다.n(0.85−1)≥(2×0.85−3×0.48−1)\displaystyle n(0.85-1)\geq(2\times0.85-3\times0.48-1)즉, 0.15n≤0.74\displaystyle 0.15n\leq0.74이고 이를 만족하는 n\displaystyle n값은 1, 2, 3, 4이다.이를 바탕으로 점 B에 있는 센서가 작동하는 경우를 구체적으로 기술하면- A에서 점 P를 향해 내려올 때 한번 (점 A와 점 P 사이의 이동 거리: d\displaystyle d)- 왼편에서 점 P까지 내려온 뒤 다시 오른편으로 올라갈 때 한번 (이때 점 P에서 최고점까지 이동 거리: (7/10)2d\displaystyle (7/10)^2d)- 다시 점 P까지 내려올 때 한번 (이때 점 P까지 이동 거리: (7/10)2d\displaystyle (7/10)^2d)- 왼편에서 내려와 점 P까지 내려온 뒤 오른편으로 올라갈 때 한번 (이때 점 P에서 최고점까지 이동 거리: (7/10)4d\displaystyle (7/10)^4d)- 다시 점 P까지 내려올 때 한번 (이때 점 P까지 이동 거리: (7/10)4d\displaystyle (7/10)^4d)이렇게 점 B에 있는 센서는 5번 작동한다.

[1.4] 공이 움직인 총 거리 D\displaystyle D는 다음과 같다.D=d+710d+710d+(710)2d+(710)2d+(710)3d+(710)3d+⋯=d+2d{710+(710)2+(710)3+⋯ }=d+2d7/101−7/10=173d=173×60049=340049\displaystyle \begin{aligned}D&=d+\frac7{10}d+\frac7{10}d+\left(\frac7{10}\right)^2d+\left(\frac7{10}\right)^2d+\left(\frac7{10}\right)^3d+\left(\frac7{10}\right)^3d+\cdots\\&=d+2d\left\{\frac7{10}+\left(\frac7{10}\right)^2+\left(\frac7{10}\right)^3+\cdots\right\}=d+2d\frac{7/10}{1-7/10}=\frac{17}3d=\frac{17}3\times\frac{600}{49}=\frac{3400}{49}\end{aligned}

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