수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 <제시문 1>과 <제시문 2>를 읽고 [문제 1-ⅰ] ~ [문제 1-ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (30점)

<제시문 1>0≤k<1\displaystyle 0\le k<1일 때, 곡선 y=x−x2\displaystyle y=x-x^{2} 위의 점 P(k,k−k2)\displaystyle \mathrm{P}(k,k-k^{2})에서 이 곡선에 접하는 접선을 ℓ\displaystyle \ell이라 하고, 직선 ℓ\displaystyle \ell이 곡선 y=x2−x\displaystyle y=x^{2}-x와 제1사분면에서 만나는 점을 Q(α,β)\displaystyle \mathrm{Q}(\alpha,\beta)라고 하자.

<제시문 2>곡선 y=x−x2\displaystyle y=x-x^{2}, 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}, 직선 x=1\displaystyle x=1로 둘러싸인 도형의 넓이를 A(k)\displaystyle A(k)라고 놓고, 곡선 y=x2−x\displaystyle y=x^{2}-x와 직선 ℓ\displaystyle \ell로 둘러싸인 영역 중에서 직선 x=1\displaystyle x=1의 오른쪽에 있는 부분의 넓이를 B(k)\displaystyle B(k)라고 놓자.

[문제 1-ⅰ] <제시문 1>에서 주어진 k\displaystyle k의 값이 0\displaystyle 0일 때, <제시문 2>에서 정의된 A(0)\displaystyle A(0)과 B(0)\displaystyle B(0)에 대하여, 이들의 비 A(0):B(0)\displaystyle A(0):B(0)이 어떻게 되는지 논하여라. (10점)

[문제 1-ⅱ] <제시문 2>의 함수 B(k)\displaystyle B(k)를 k\displaystyle k와 α\displaystyle \alpha에 대한 다항식의 형태로 나타내어라. (10점)

[문제 1-ⅲ] <제시문 2>의 함수 B(k)\displaystyle B(k)와 2\displaystyle 2보다 크거나 같은 정수 n\displaystyle n에 대하여, B(1n)\displaystyle B\left(\frac{1}{n}\right)의 값이C+Dn2−2n+2\displaystyle C+D\sqrt{n^{2}-2n+2} (C\displaystyle C와 D\displaystyle D는 유리수) 형태로 표시됨을 보이고, D\displaystyle D는 항상 양수가 됨을 논하여라. (10점)

해설강의 준비중

[문제 1-ⅰ]

+5점 · 도형의 넓이 A(0)\displaystyle A(0)을 적분을 통해 구할 수 있다.

k=0\displaystyle k=0일 때, 직선 ℓ\displaystyle \ell은 점 (0,0)\displaystyle (0,0)을 지나고 기울기가 1\displaystyle 1이 되므로, 직선 ℓ\displaystyle \ell의 방정식은 y=x\displaystyle y=x가 된다. 따라서 A(0)\displaystyle A(0)은 곡선 y=x−x2\displaystyle y=x-x^{2}, 직선 y=x\displaystyle y=x, 직선 x=1\displaystyle x=1로 둘러싸인 도형의 넓이이므로 다음과 같은 정적분의 값으로 주어진다.A(0)=∫01(x−(x−x2))dx=13\displaystyle A(0)=\int_{0}^{1}(x-(x-x^{2}))dx=\frac{1}{3}

+5점 · 도형의 넓이 B(0)\displaystyle B(0)을 적분을 통해 구할 수 있다.

한편, k=0\displaystyle k=0일 때, 직선 ℓ\displaystyle \ell과 곡선 y=x2−x\displaystyle y=x^{2}-x이 만나는 점 중에서 1사분면에 있는 점의 좌표는 (2,2)\displaystyle (2,2)가 된다. 따라서 B(0)\displaystyle B(0)은 곡선 y=x2−x\displaystyle y=x^{2}-x와 직선 y=x\displaystyle y=x로 둘러싸인 영역 중에서 직선 x=1\displaystyle x=1의 오른쪽에 있는 부분의 넓이이므로 다음과 같은 정적분의 값으로 주어진다.B(0)=∫12(x−(x2−x))dx=23\displaystyle B(0)=\int_{1}^{2}(x-(x^{2}-x))dx=\frac{2}{3}따라서 A(0):B(0)=1:2\displaystyle A(0):B(0)=1:2가 된다.

[문제 1-ⅱ]

+2점 · 직선 ℓ\displaystyle \ell의 방정식을 제대로 구할 수 있다.

직선 ℓ\displaystyle \ell은 점 (k,k−k2)\displaystyle (k,k-k^{2})를 지나고, 기울기가 1−2k\displaystyle 1-2k이므로, 직선 ℓ\displaystyle \ell의 방정식은 y=(1−2k)(x−k)+k−k2\displaystyle y=(1-2k)(x-k)+k-k^{2}과 같게 된다.

+8점 · 도형의 넓이 B(k)\displaystyle B(k)를 k\displaystyle k와 α\displaystyle \alpha에 대한 다항식의 형태로 올바르게 표현할 수 있다.

이제 직선 ℓ\displaystyle \ell의 방정식과 y=x2−x\displaystyle y=x^{2}-x를 연립해서 풀자. 연립방정식의 두 해의 x\displaystyle x좌표 중에서 양수인 경우만을 택하면, α=1−k+1−2k+2k2\displaystyle \alpha=1-k+\sqrt{1-2k+2k^{2}}이 되고, 이 값은1−k+1−2k+2k2=1−k+(1−k)2+k2>1−k+k2=1\displaystyle 1-k+\sqrt{1-2k+2k^{2}}=1-k+\sqrt{(1-k)^{2}+k^{2}}>1-k+\sqrt{k^{2}}=1이 되므로, 항상 1\displaystyle 1보다 커짐을 알 수 있다. 따라서 B(k)\displaystyle B(k)는 곡선 y=x2−x\displaystyle y=x^{2}-x와 직선 ℓ\displaystyle \ell로 둘러싸인 영역 중에서 직선 x=1\displaystyle x=1의 오른쪽에 있는 부분의 넓이이므로, 다음과 같은 정적분의 값으로 주어진다.B(k)=∫1α((1−2k)(x−k)+k−k2−(x2−x))dx=∫1α(k2+2x−2kx−x2)dx=k2(α−1)+(1−k)(α2−1)−13(α3−1)=(α−1){k2−k(α+1)−13(α2−2α−2)}\displaystyle \begin{aligned} B(k) &=\int_{1}^{\alpha}((1-2k)(x-k)+k-k^{2}-(x^{2}-x))dx \\ &=\int_{1}^{\alpha}(k^{2}+2x-2kx-x^{2})dx \\ &=k^{2}(\alpha-1)+(1-k)(\alpha^{2}-1)-\frac{1}{3}(\alpha^{3}-1) \\ &=(\alpha-1)\left\{k^{2}-k(\alpha+1)-\frac{1}{3}(\alpha^{2}-2\alpha-2)\right\} \end{aligned}위의 값은 k\displaystyle k와 α\displaystyle \alpha에 대한 다항식의 형태임을 알 수 있다.

[문제 1-ⅲ]

+5점 · B(1n)\displaystyle B\left(\frac{1}{n}\right)을 C+Dn2−2n+2\displaystyle C+D\sqrt{n^{2}-2n+2} 형태로 표현하고, C\displaystyle C와 D\displaystyle D는 각각 유리수임을 올바르게 논할 수 있다.

[문제 1-ⅱ]의 풀이로부터,α=1−k+1−2k+2k2\displaystyle \alpha=1-k+\sqrt{1-2k+2k^{2}}이고, B(k)=k2(α−1)+(1−k)(α2−1)−13(α3−1)\displaystyle B(k)=k^{2}(\alpha-1)+(1-k)(\alpha^{2}-1)-\frac{1}{3}(\alpha^{3}-1)로 주어진다.k=1n\displaystyle k=\frac{1}{n}을 위 식에 대입하면, α=1−1n+1nn2−2n+2\displaystyle \alpha=1-\frac{1}{n}+\frac{1}{n}\sqrt{n^{2}-2n+2}가 되고, B(1n)\displaystyle B\left(\frac{1}{n}\right)을 α\displaystyle \alpha에 대한 다항식 형태로 정리하면,B(1n)=−13α3+(1−1n)α2+1n2α−23+1n−1n2\displaystyle B\left(\frac{1}{n}\right)=-\frac{1}{3}\alpha^{3}+\left(1-\frac{1}{n}\right)\alpha^{2}+\frac{1}{n^{2}}\alpha-\frac{2}{3}+\frac{1}{n}-\frac{1}{n^{2}}이 된다. 이제 α=1−1n+1nn2−2n+2\displaystyle \alpha=1-\frac{1}{n}+\frac{1}{n}\sqrt{n^{2}-2n+2}를 위 식에 대입해서 정리하면,B(1n)=C+Dn2−2n+2\displaystyle B\left(\frac{1}{n}\right)=C+D\sqrt{n^{2}-2n+2} (C\displaystyle C와 D\displaystyle D는 각각 유리수)의 형태가 된다.

+5점 · 유리수 D\displaystyle D에 대한 구체적인 표현을 구하고, 항상 양수가 됨을 제대로 논할 수 있다.

여기서 구체적으로 D\displaystyle D를 구하면,D=23n−43n2+43n3=23n3(n2−2n+2)=23n3((n−1)2+1)>0\displaystyle D=\frac{2}{3n}-\frac{4}{3n^{2}}+\frac{4}{3n^{3}}=\frac{2}{3n^{3}}(n^{2}-2n+2)=\frac{2}{3n^{3}}((n-1)^{2}+1)>0이 되므로, D\displaystyle D는 항상 양수가 됨을 보일 수 있다.

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