수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

오른쪽 그림과 같이 t>12\displaystyle t>\frac12일 때, 곡선 y=t−x2\displaystyle y=t-x^2과 직선 y=tx\displaystyle y=tx가 제1사분면에서 만나는 점을 P1\displaystyle \mathrm{P}_1, 제3사분면에서 만나는 점을 P2\displaystyle \mathrm{P}_2라 하자.

포물선과 직선의 교점 P₁, P₂에서 그은 접선 l₁, l₂

(가) A1(t)\displaystyle A_1(t)는 곡선 y=t−x2\displaystyle y=t-x^2 위의 점 P1\displaystyle \mathrm{P}_1에서의 접선 l1\displaystyle l_1과 x\displaystyle x축, y\displaystyle y축으로 둘러싸인 도형의 넓이이다.

(나) A2(t)\displaystyle A_2(t)는 곡선 y=t−x2\displaystyle y=t-x^2 위의 점 P2\displaystyle \mathrm{P}_2에서의 접선 l2\displaystyle l_2와 x\displaystyle x축, y\displaystyle y축으로 둘러싸인 도형의 넓이이다.

(다) S(t)\displaystyle S(t)는 곡선 y=t−x2\displaystyle y=t-x^2과 직선 y=tx\displaystyle y=tx에 의해 둘러싸인 도형의 넓이이다.

[3.1] 직선 l1\displaystyle l_1과 직선 l2\displaystyle l_2가 이루는 각의 크기를 θ\displaystyle \theta라 할 때, tan⁡2θ\displaystyle \tan^2\theta를 t\displaystyle t에 대한 식으로 나타내시오.

[3.2] 양의 정수 k\displaystyle k에 대하여 다음 극한이 수렴하는 경우 극한값을 모두 구하시오.lim⁡t→∞A1(t)tk\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{A_1(t)}{t^k}

[3.3] 다음 극한값을 구하시오.lim⁡t→∞S(t)A2(t)\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{S(t)}{A_2(t)}

해설강의 준비중
+4점

[3.1] 직선 l1\displaystyle l_1이 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 θ1\displaystyle \theta_1, 직선 l2\displaystyle l_2가 x\displaystyle x의 양의 축이 이루는 각의 크기를 θ2\displaystyle \theta_2라 하면 θ=θ1−θ2\displaystyle \theta=\theta_1-\theta_2이다.

+5점

P1\displaystyle \mathrm{P}_1, P2\displaystyle \mathrm{P}_2의 좌표를 구하기 위해 방정식 t−x2=tx\displaystyle t-x^2=tx을 풀어 두 근을 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta라 하면α=−t2+t2+4t2,β=−t2−t2+4t2\displaystyle \alpha=-\frac t2+\frac{\sqrt{t^2+4t}}2,\quad\beta=-\frac t2-\frac{\sqrt{t^2+4t}}2이다. P1(α,tα)\displaystyle \mathrm{P}_1(\alpha,t\alpha)과 P2(β,tβ)\displaystyle \mathrm{P}_2(\beta,t\beta)에서의 y=t−x2\displaystyle y=t-x^2의 접선의 기울기는 각각 −2α\displaystyle -2\alpha, −2β\displaystyle -2\beta이다. 따라서 tan⁡θ1=−2α\displaystyle \tan\theta_1=-2\alpha, tan⁡θ2=−2β\displaystyle \tan\theta_2=-2\beta이다.tan⁡2θ=tan⁡2(θ1−θ2)=(tan⁡θ1−tan⁡θ21+tan⁡θ1tan⁡θ2)2=(−2α+2β1+4αβ)2=4(α−β)2(1+4αβ)2=4{(α+β)2−4αβ}(1+4αβ)2\displaystyle \tan^2\theta=\tan^2(\theta_1-\theta_2)=\left(\frac{\tan\theta_1-\tan\theta_2}{1+\tan\theta_1\tan\theta_2}\right)^2=\left(\frac{-2\alpha+2\beta}{1+4\alpha\beta}\right)^2=\frac{4(\alpha-\beta)^2}{(1+4\alpha\beta)^2}=\frac{4\{(\alpha+\beta)^2-4\alpha\beta\}}{(1+4\alpha\beta)^2}이므로 근과 계수의 관계에서 α+β=−t\displaystyle \alpha+\beta=-t, αβ=−t\displaystyle \alpha\beta=-t이므로 위 식은 다음과 같이 정리된다.tan⁡2θ=4(t2+4t)(1−4t)2=4t2+16t16t2−8t+1\displaystyle \tan^2\theta=\frac{4(t^2+4t)}{(1-4t)^2}=\frac{4t^2+16t}{16t^2-8t+1}

+4점 · 직선 l1\displaystyle l_1의 방정식은 y=(t−t2+4t)x−(t−t2+4t)t2+4t2\displaystyle y=(t-\sqrt{t^2+4t})x-\frac{(t-\sqrt{t^2+4t})\sqrt{t^2+4t}}2이다. x\displaystyle x절편은 t2+4t2\displaystyle \frac{\sqrt{t^2+4t}}2, y\displaystyle y절편은 (t2+4t−t)t2+4t2\displaystyle \frac{(\sqrt{t^2+4t}-t)\sqrt{t^2+4t}}2이다. A1(t)=12×t2+4t2×(t2+4t−t)t2+4t2=(t2+4t)(t2+4t−t)8\displaystyle A_1(t)=\frac12\times\frac{\sqrt{t^2+4t}}2\times\frac{(\sqrt{t^2+4t}-t)\sqrt{t^2+4t}}2=\frac{(t^2+4t)(\sqrt{t^2+4t}-t)}8 이다.

[3.2] 직선 l1\displaystyle l_1의 방정식은 y=(t−t2+4t)x−(t−t2+4t)t2+4t2\displaystyle y=(t-\sqrt{t^2+4t})x-\frac{(t-\sqrt{t^2+4t})\sqrt{t^2+4t}}2이므로 x\displaystyle x절편은 t2+4t2\displaystyle \frac{\sqrt{t^2+4t}}2, y\displaystyle y절편은 (t2+4t−t)t2+4t2\displaystyle \frac{(\sqrt{t^2+4t}-t)\sqrt{t^2+4t}}2이다. 따라서A1(t)=12×t2+4t2×(t2+4t−t)t2+4t2=(t2+4t)(t2+4t−t)8\displaystyle A_1(t)=\frac12\times\frac{\sqrt{t^2+4t}}2\times\frac{(\sqrt{t^2+4t}-t)\sqrt{t^2+4t}}2=\frac{(t^2+4t)(\sqrt{t^2+4t}-t)}8이다.

+8점 · lim⁡t→∞A1(t)tk=lim⁡t→∞{(t2+4t)(t2+4t−t)8tk×t2+4t+tt2+4t+t}=lim⁡t→∞(t2+4t)8tk4tt2+4t+t\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{A_1(t)}{t^k}=\lim_{t\to\infty}\left\{\frac{(t^2+4t)(\sqrt{t^2+4t}-t)}{8t^k}\times\frac{\sqrt{t^2+4t}+t}{\sqrt{t^2+4t}+t}\right\}=\lim_{t\to\infty}\frac{(t^2+4t)}{8t^k}\frac{4t}{\sqrt{t^2+4t}+t} lim⁡t→∞4tt2+4t+t=lim⁡t→∞41+4t+1=2\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{4t}{\sqrt{t^2+4t}+t}=\lim_{t\to\infty}\frac4{\sqrt{1+\frac4t}+1}=2이고 lim⁡t→∞t2+4t8tk={∞(k=1)18(k=2)0(k≥3)\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{t^2+4t}{8t^k}=\begin{cases}\infty&(k=1)\\\frac18&(k=2)\\0&(k\geq3)\end{cases}이므로 lim⁡t→∞A1(t)tk={∞(k=1)14(k=2)0(k≥3)\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{A_1(t)}{t^k}=\begin{cases}\infty&(k=1)\\\frac14&(k=2)\\0&(k\geq3)\end{cases}이다.

lim⁡t→∞A1(t)tk=lim⁡t→∞{(t2+4t)(t2+4t−t)8tk×t2+4t+tt2+4t+t}=lim⁡t→∞(t2+4t)8tk4tt2+4t+t=14lim⁡t→∞(t2+4t)tk\displaystyle \begin{aligned}\lim_{t\to\infty}\frac{A_1(t)}{t^k}&=\lim_{t\to\infty}\left\{\frac{(t^2+4t)(\sqrt{t^2+4t}-t)}{8t^k}\times\frac{\sqrt{t^2+4t}+t}{\sqrt{t^2+4t}+t}\right\}\\&=\lim_{t\to\infty}\frac{(t^2+4t)}{8t^k}\frac{4t}{\sqrt{t^2+4t}+t}\\&=\frac14\lim_{t\to\infty}\frac{(t^2+4t)}{t^k}\end{aligned}위 극한은 k<2\displaystyle k<2이면 발산하고 k>2\displaystyle k>2이면 극한값이 0\displaystyle 0이다. k=2\displaystyle k=2일 때 극한값은 14\displaystyle \frac14이다. 따라서 극한값은 0,14\displaystyle 0,\frac14이다.

+4점

[3.3] 직선 l2\displaystyle l_2의 방정식은 y=(t+t2+4t)x+(t+t2+4t)t2+4t2\displaystyle y=(t+\sqrt{t^2+4t})x+\frac{(t+\sqrt{t^2+4t})\sqrt{t^2+4t}}2이므로 x\displaystyle x절편은 −t2+4t2\displaystyle -\frac{\sqrt{t^2+4t}}2, y\displaystyle y절편은 (t+t2+4t)t2+4t2\displaystyle \frac{(t+\sqrt{t^2+4t})\sqrt{t^2+4t}}2이다. 즉, 삼각형의 넓이 A2(t)\displaystyle A_2(t)는 다음과 같다.A2(t)=(t2+4t)(t+t2+4t)8\displaystyle A_2(t)=\frac{(t^2+4t)(t+\sqrt{t^2+4t})}8

+4점 · 곡선과 직선 사이의 넓이 S(t)\displaystyle S(t)는 S(t)=∫βα(t−x2−tx) dx=[tx−13x3−12tx2]βα=(t2+4t)t2+4t6\displaystyle S(t)=\int_\beta^\alpha(t-x^2-tx)\,dx=\Biggl[tx-\frac13x^3-\frac12tx^2\Biggr]_\beta^\alpha=\frac{(t^2+4t)\sqrt{t^2+4t}}6

곡선과 직선 사이의 넓이 S(t)\displaystyle S(t)는 적분을 이용하여 구할 수 있다.S(t)=∫βα(t−x2−tx) dx=[tx−13x3−12tx2]βα=(t2+4t)t2+4t6\displaystyle S(t)=\int_\beta^\alpha(t-x^2-tx)\,dx=\Biggl[tx-\frac13x^3-\frac12tx^2\Biggr]_\beta^\alpha=\frac{(t^2+4t)\sqrt{t^2+4t}}6이다.

+4점

따라서lim⁡t→∞S(t)A2(t)=lim⁡t→∞(t2+4t)t2+4t68(t2+4t)(t+t2+4t)=23\displaystyle \lim_{t\to\infty}\frac{S(t)}{A_2(t)}=\lim_{t\to\infty}\frac{(t^2+4t)\sqrt{t^2+4t}}6\frac8{(t^2+4t)(t+\sqrt{t^2+4t})}=\frac23이다.

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