수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

물체가 원점에서 출발하여 y\displaystyle y축을 따라 등속 운동을 한다. 이동하는 물체를 카메라가 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)를 따라가며 촬영한다. 이때 카메라의 방향은 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 접선 방향과 일치한다. 물체가 출발할 때 카메라는 점 (5,0)\displaystyle (5,0)에 위치하며, 카메라와 물체의 거리는 항상 5m\displaystyle 5\mathrm m를 유지한다.

y축을 따라 움직이는 물체를 거리 5로 유지하며 촬영하는 카메라의 경로

[2.1] f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)를 x\displaystyle x에 관한 식으로 나타내시오.

[2.2] 카메라의 경로 f(x)\displaystyle f(x)를 구하시오.

[2.3] 물체가 (0,5ln⁡3)\displaystyle (0,5\ln3)까지 움직였을 때, 카메라가 이동한 거리를 구하시오.

해설강의 준비중

[2.1] 아래 그림에서 높이 h=52−x2\displaystyle h=\sqrt{5^2-x^2}이므로 f′(x)=−hx=−25−x2x\displaystyle f^{\prime}(x)=-\frac hx=-\frac{\sqrt{25-x^2}}x이다.

카메라 높이 f(x), 수평거리 x, 물체와의 높이 차 h

[2.2] f(x)=∫f′(x) dx=−∫25−x2x dx\displaystyle f(x)=\int f^{\prime}(x)\,dx=-\int\frac{\sqrt{25-x^2}}x\,dx이다. 여기서, u=25−x2\displaystyle u=\sqrt{25-x^2}이라하면f(x)=∫u225−u2 du=∫{−1+52(15−u+15+u)} du=−u+52ln⁡∣5+u5−u∣+C=−25−x2+52ln⁡∣5+25−x25−25−x2∣+C\displaystyle \begin{aligned}f(x)&=\int\frac{u^2}{25-u^2}\,du=\int\left\{-1+\frac52\left(\frac1{5-u}+\frac1{5+u}\right)\right\}\,du\\&=-u+\frac52\ln\left|\frac{5+u}{5-u}\right|+C\\&=-\sqrt{25-x^2}+\frac52\ln\left|\frac{5+\sqrt{25-x^2}}{5-\sqrt{25-x^2}}\right|+C\end{aligned}이다. 그런데 f(5)=0\displaystyle f(5)=0이므로 C=0\displaystyle C=0이고,f(x)=−25−x2+52ln⁡∣5+25−x25−25−x2∣=−25−x2+5ln⁡∣5+25−x2x∣\displaystyle f(x)=-\sqrt{25-x^2}+\frac52\ln\left|\frac{5+\sqrt{25-x^2}}{5-\sqrt{25-x^2}}\right|=-\sqrt{25-x^2}+5\ln\left|\frac{5+\sqrt{25-x^2}}x\right|이다.

[2.3] 물체가 (0,5ln⁡3)\displaystyle (0,5\ln3)에 위치할 때 카메라의 위치를 (x,f(x))\displaystyle (x,f(x))라 하면, h=5ln⁡3−f(x)\displaystyle h=5\ln3-f(x)이므로25−x2=5ln⁡3−{−25−x2+5ln⁡∣5+25−x2x∣}\displaystyle \sqrt{25-x^2}=5\ln3-\left\{-\sqrt{25-x^2}+5\ln\left|\frac{5+\sqrt{25-x^2}}x\right|\right\}즉,5ln⁡3=5ln⁡∣5+25−x2x∣\displaystyle 5\ln3=5\ln\left|\frac{5+\sqrt{25-x^2}}x\right|이다. 이 방정식을 풀면3=5+25−x2x⇒3x−5=25−x2⇒10x2−30x=10x(x−3)=0\displaystyle \begin{aligned}3=\frac{5+\sqrt{25-x^2}}x&\Rightarrow3x-5=\sqrt{25-x^2}\\&\Rightarrow10x^2-30x=10x(x-3)=0\end{aligned}인데 x≠0\displaystyle x\neq0이므로 x=3\displaystyle x=3이다. 따라서 x=3\displaystyle x=3에서 x=5\displaystyle x=5까지 곡선 f(x)\displaystyle f(x)의 길이를 구하면 된다.L=∫351+25−x2x2 dx=∫355x dx=5ln⁡53\displaystyle L=\int_3^5\sqrt{1+\frac{25-x^2}{x^2}}\,dx=\int_3^5\frac5x\,dx=5\ln\frac53

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