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문제

[문제 2]

다음 <제시문1> ~ <제시문4>를 읽고 [문제 2-ⅰ] ~ [문제 2-ⅳ]를 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (40점)

<제시문1>함수 F(x)\displaystyle F(x)는 다음과 같이 정의되고, 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 F(x+1)=F(x)\displaystyle F(x+1)=F(x)를 만족한다.F(x)={−2x2+x(0≤x≤12)2x2−3x+1(12≤x<1)\displaystyle F(x)=\begin{cases}-2x^{2}+x & \left(0\le x\le\frac{1}{2}\right) \\ 2x^{2}-3x+1 & \left(\frac{1}{2}\le x<1\right)\end{cases}

<제시문2>좌표평면에서 두 점 A(0,−1)\displaystyle \mathrm{A}(0,-1)와 B(3,−5)\displaystyle \mathrm{B}(3,-5)에 대해, <제시문1>의 곡선 y=F(x)\displaystyle y=F(x) 위의 점 C(c,F(c))\displaystyle \mathrm{C}(c,F(c))에서 그은 접선이 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 만나는 점을 D\displaystyle \mathrm{D}라 한다.

<제시문3>임의의 실수 x\displaystyle x에 대하여 x=n+u\displaystyle x=n+u (n\displaystyle n은 정수, 0≤u<1\displaystyle 0\le u<1)라 하면, <제시문1>에서 다음을 얻는다.F′(x)={−4u+1(0≤u≤12)4u−3(12≤u<1)\displaystyle F^{\prime}(x)=\begin{cases}-4u+1 & \left(0\le u\le\frac{1}{2}\right) \\ 4u-3 & \left(\frac{1}{2}\le u<1\right)\end{cases}

<제시문4>함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 f(a)\displaystyle f(a)와 f(b)\displaystyle f(b)의 값이 서로 다른 부호를 가지면, 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 열린구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 적어도 하나의 해를 가진다.

[문제 2-ⅰ] 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 방정식을 구하고, 곡선 y=F(x)\displaystyle y=F(x) 위의 점 C\displaystyle \mathrm{C}를 택할 때마다 점 D\displaystyle \mathrm{D}가 항상 유일하게 존재함을 보이시오. 또한 C(n,0)\displaystyle \mathrm{C}(n,0)(n\displaystyle n은 정수)일 때, 점 D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표를 n\displaystyle n에 관한 식으로 나타내고 그 이유를 논하시오. (10점)

[문제 2-ⅱ] x\displaystyle x좌표가 0\displaystyle 0 이상 2027\displaystyle 2027 이하인 점 C\displaystyle \mathrm{C}에 대하여 점 D\displaystyle \mathrm{D}가 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 2:1\displaystyle 2:1로 외분한다고 할 때, 가능한 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 개수를 구하고 그 이유를 논하시오. (10점)

[문제 2-ⅲ] 점 C\displaystyle \mathrm{C}가 점 (0,F(0))\displaystyle (0,F(0))부터 점 (2027,F(2027))\displaystyle (2027,F(2027))까지 곡선 y=F(x)\displaystyle y=F(x) 위를 움직일 때, 점 D\displaystyle \mathrm{D}가 나타내는 도형은 선분이다. 이때 이 선분의 길이를 구하고 그 이유를 논하시오. (10점)

[문제 2-ⅳ] 점 C\displaystyle \mathrm{C}가 점 (0,F(0))\displaystyle (0,F(0))부터 점 (2027,F(2027))\displaystyle (2027,F(2027))까지 곡선 y=F(x)\displaystyle y=F(x) 위를 움직일 때, 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}가 나타내는 도형의 넓이를 구하고 그 이유를 논하시오. (10점)

[문제 2-ⅰ]

+3점 · 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 방정식을 올바르게 구할 수 있다.

점 A\displaystyle \mathrm{A}의 좌표는 (0,−1)\displaystyle (0,-1)이고 점 B\displaystyle \mathrm{B}의 좌표는 (3,−5)\displaystyle (3,-5)이므로 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 기울기는 −43\displaystyle -\frac{4}{3}이다. 따라서 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 방정식은 y=−43x−1\displaystyle y=-\frac{4}{3}x-1이다.

+3점 · 접선의 기울기 범위를 이용하여 점 D\displaystyle \mathrm{D}의 유일성을 설명할 수 있다.

<제시문3>에 의해, 곡선 y=F(x)\displaystyle y=F(x)의 접선의 기울기는 항상 −1\displaystyle -1 이상 1\displaystyle 1 이하이다. 즉 모든 점 C\displaystyle \mathrm{C}에서 접선의 기울기 m\displaystyle m은 −1≤m≤1\displaystyle -1\le m\le1을 만족한다.그런데 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 기울기는 −43\displaystyle -\frac{4}{3}이므로, 접선과 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}는 서로 평행할 수 없다. 따라서 임의의 점 C\displaystyle \mathrm{C}에서 그은 접선은 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 정확히 한 점에서 만나며, 점 D\displaystyle \mathrm{D}는 항상 유일하게 존재한다.

+4점 · 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표가 (n,0)\displaystyle (n,0)일 때 점 D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표를 정확히 구할 수 있다.

이제 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표를 (n,0)\displaystyle (n,0)(n\displaystyle n은 정수)라고 하자. F(n)=0\displaystyle F(n)=0이고 F′(n)=1\displaystyle F^{\prime}(n)=1이므로, C\displaystyle \mathrm{C}에서의 접선의 방정식은 y=x−n\displaystyle y=x-n이다. 이것과 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 방정식을 연립하면 x=3(n−1)7\displaystyle x=\frac{3(n-1)}{7}이므로 D\displaystyle \mathrm{D}의 x\displaystyle x좌표는 3(n−1)7\displaystyle \frac{3(n-1)}{7}이다. 다시 y=x−n\displaystyle y=x-n에 대입하면 D\displaystyle \mathrm{D}의 y\displaystyle y좌표는 y=−4n+37\displaystyle y=-\frac{4n+3}{7}이다. 따라서 점 D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표는 (3(n−1)7,−4n+37)\displaystyle \left(\frac{3(n-1)}{7},-\frac{4n+3}{7}\right)이다.

[문제 2-ⅱ]

+3점 · 외분 조건으로부터 D(6,−9)\displaystyle \mathrm{D}(6,-9)를 정확히 구할 수 있다.

점 D\displaystyle \mathrm{D}가 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 2:1\displaystyle 2:1로 외분한다는 것은 AD‾:DB‾=2:1\displaystyle \overline{\mathrm{AD}}:\overline{\mathrm{DB}}=2:1이고 D\displaystyle \mathrm{D}가 B\displaystyle \mathrm{B}쪽 바깥에 있다는 뜻이다. 따라서 외분점의 좌표는 (6,−9)\displaystyle (6,-9)이다.

+4점 · 각 주기를 반으로 나눈 두 구간에서 얻는 방정식을 세우고, 주어진 구간에서 함수의 증가·감소와 끝값을 이용하여 해의 존재 여부를 판정할 수 있다.

이제 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 x\displaystyle x좌표를 c=n+u\displaystyle c=n+u (n\displaystyle n은 정수, 0≤u<1\displaystyle 0\le u<1)라 두고, 0≤c≤2027\displaystyle 0\le c\le2027인 경우만 따져 보자.① 0≤u≤12\displaystyle 0\le u\le\frac{1}{2}인 경우:이때 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표는 (n+u,−2u2+u)\displaystyle (n+u,-2u^{2}+u), 접선의 기울기는 1−4u\displaystyle 1-4u이다. 접선이 D(6,−9)\displaystyle \mathrm{D}(6,-9)를 지나야 하므로 −9=(1−4u)(6−n−u)+(−2u2+u)\displaystyle -9=(1-4u)(6-n-u)+(-2u^{2}+u), 즉 2u2+(4n−24)u−n+15=0\displaystyle 2u^{2}+(4n-24)u-n+15=0을 얻는다. g1(u)=2u2+(4n−24)u−n+15\displaystyle g_{1}(u)=2u^{2}+(4n-24)u-n+15라 하면, g1′(u)=4(u+n−6)\displaystyle g_{1}^{\prime}(u)=4(u+n-6)이다. 0≤n≤5\displaystyle 0\le n\le5일 때 g1\displaystyle g_{1}은 열린구간 (0,12)\displaystyle \left(0,\frac{1}{2}\right)에서 감소하고, n≥6\displaystyle n\ge6일 때 열린구간 (0,12)\displaystyle \left(0,\frac{1}{2}\right)에서 증가한다. g1(0)=15−n\displaystyle g_{1}(0)=15-n이고 g1(12)=n+72\displaystyle g_{1}\left(\frac{1}{2}\right)=n+\frac{7}{2}이다. 따라서 0≤n≤14\displaystyle 0\le n\le14에서는 두 끝값이 모두 양수이므로 해가 없다. n=15\displaystyle n=15에서는 u=0\displaystyle u=0이 유일한 해가 되고, n=16,17,⋯ ,2026\displaystyle n=16,17,\cdots,2026에서는 g1(0)<0<g1(12)\displaystyle g_{1}(0)<0<g_{1}\left(\frac{1}{2}\right)이므로 <제시문4>에 의해서 해가 정확히 하나 존재한다. 또한 c=2027\displaystyle c=2027인 경우는 n=2027\displaystyle n=2027, u=0\displaystyle u=0인 경우이고 g1(0)<0\displaystyle g_{1}(0)<0이므로 해가 되지 않는다.② 12≤u<1\displaystyle \frac{1}{2}\le u<1인 경우:이때 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표는 (n+u,2u2−3u+1)\displaystyle (n+u,2u^{2}-3u+1), 접선의 기울기는 4u−3\displaystyle 4u-3이다. 같은 방식으로 −9=(2u2−3u+1)+(4u−3)(6−n−u)\displaystyle -9=(2u^{2}-3u+1)+(4u-3)(6-n-u), 즉 2u2+(4n−24)u−3n+8=0\displaystyle 2u^{2}+(4n-24)u-3n+8=0을 얻는다. g2(u)=2u2+(4n−24)u−3n+8\displaystyle g_{2}(u)=2u^{2}+(4n-24)u-3n+8이라 하면 g2′(u)=4(u+n−6)\displaystyle g_{2}^{\prime}(u)=4(u+n-6)이다. 0≤n≤5\displaystyle 0\le n\le5일 때 g2\displaystyle g_{2}는 열린구간 (12,1)\displaystyle \left(\frac{1}{2},1\right)에서 감소하고, n≥6\displaystyle n\ge6일 때 열린구간 (12,1)\displaystyle \left(\frac{1}{2},1\right)에서 증가한다. g2(12)=−(n+72)\displaystyle g_{2}\left(\frac{1}{2}\right)=-\left(n+\frac{7}{2}\right)이고 g2(1)=n−14\displaystyle g_{2}(1)=n-14이다. 따라서 0≤n≤13\displaystyle 0\le n\le13에서는 해가 없고, n=14\displaystyle n=14에서는 u=1\displaystyle u=1이 되어 구간에서 제외된다. n=15,16,⋯ ,2026\displaystyle n=15,16,\cdots,2026에서는 g2(12)<0<g2(1)\displaystyle g_{2}\left(\frac{1}{2}\right)<0<g_{2}(1)이므로 <제시문4>에 의해서 해가 정확히 하나 존재한다.

+3점 · 전체 개수를 정확히 구할 수 있다.

결국 각 정수 n=15,16,⋯ ,2026\displaystyle n=15,16,\cdots,2026에 대하여 구간 [n,n+12]\displaystyle \left[n,n+\frac{1}{2}\right]에서 1\displaystyle 1개, 구간 [n+12,n+1)\displaystyle \left[n+\frac{1}{2},n+1\right)에서 1\displaystyle 1개의 점 C\displaystyle \mathrm{C}가 존재한다. 따라서 가능한 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 개수는 2×(2026−15+1)=4024\displaystyle 2\times(2026-15+1)=4024개다.

※ 본 풀이에서는 방정식을 세워 해의 존재를 판정하였다. 한편, 접선의 기울기가 항상 −1\displaystyle -1 이상 1\displaystyle 1 이하임을 이용하여 해의 존재를 직관적으로 판단하는 방법도 가능하다. 점 D\displaystyle \mathrm{D}를 지나고 기울기가 1\displaystyle 1인 직선은 점 (15,0)\displaystyle (15,0)을 지나고, 기울기가 −1\displaystyle -1인 직선은 점 (−3,0)\displaystyle (-3,0)을 지나기 때문에 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 x\displaystyle x좌표가 0\displaystyle 0 이상 15\displaystyle 15 미만인 경우에는 접선이 점 D\displaystyle \mathrm{D}를 지나지 않음을 알 수 있다. 그리고 그림을 그려보면 각 주기마다 가능한 점 C\displaystyle \mathrm{C}가 두 개씩 존재함을 알 수 있다.

[문제 2-ⅲ]

+4점 · 한 주기에서 점 D\displaystyle \mathrm{D}가 선분 MnQn\displaystyle \mathrm{M}_{n}\mathrm{Q}_{n} 하나를 이룬다는 사실을 설명할 수 있다.

점 C\displaystyle \mathrm{C}가 한 주기 n≤x≤n+1\displaystyle n\le x\le n+1 (n\displaystyle n은 정수)에서 움직일 때, 먼저 세 특수한 위치에 대응하는 점 D\displaystyle \mathrm{D}를 다음과 같이 잡자. x=n\displaystyle x=n에서의 점 D\displaystyle \mathrm{D}를 Pn\displaystyle \mathrm{P}_{n}, x=n+12\displaystyle x=n+\frac{1}{2}에서의 점 D\displaystyle \mathrm{D}를 Mn\displaystyle \mathrm{M}_{n}, x=n+1\displaystyle x=n+1에서의 점 D\displaystyle \mathrm{D}를 Qn\displaystyle \mathrm{Q}_{n}이라고 하자. x=n\displaystyle x=n, x=n+12\displaystyle x=n+\frac{1}{2}, x=n+1\displaystyle x=n+1에서의 접선은 각각 y=x−n\displaystyle y=x-n, y=−x+n+12\displaystyle y=-x+n+\frac{1}{2}, y=x−n−1\displaystyle y=x-n-1이므로, 이들을 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 연립하면 Pn(3(n−1)7,−4n+37)\displaystyle \mathrm{P}_{n}\left(\frac{3(n-1)}{7},-\frac{4n+3}{7}\right), Mn(−3n−92,4n+5)\displaystyle \mathrm{M}_{n}\left(-3n-\frac{9}{2},4n+5\right), Qn(3n7,−4n+77)\displaystyle \mathrm{Q}_{n}\left(\frac{3n}{7},-\frac{4n+7}{7}\right)을 얻는다. 이제 점 D\displaystyle \mathrm{D}의 움직임을 각 주기를 반으로 나눈 두 구간별로 살펴보자. 편의상 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 x\displaystyle x좌표를 α(P)\displaystyle \alpha(\mathrm{P})라 하자.① n≤x≤n+12\displaystyle n\le x\le n+\frac{1}{2}: α(C)=n+u (0≤u≤12)\displaystyle \alpha(\mathrm{C})=n+u\ \left(0\le u\le\frac{1}{2}\right)라 두면 α(D)=3(4nu−n+2u2+1)12u−7\displaystyle \alpha(\mathrm{D})=\frac{3(4nu-n+2u^{2}+1)}{12u-7}이다. α(Mn)=−3n−92\displaystyle \alpha(\mathrm{M}_{n})=-3n-\frac{9}{2}, α(Qn)=3n7\displaystyle \alpha(\mathrm{Q}_{n})=\frac{3n}{7}임을 이용하면, α(D)−α(Mn)=3(1−2u)(16n+2u+19)2(7−12u)≥0\displaystyle \alpha(\mathrm{D})-\alpha(\mathrm{M}_{n})=\frac{3(1-2u)(16n+2u+19)}{2(7-12u)}\ge0이고, α(Qn)−α(D)=3(14u2+16nu+7)7(7−12u)≥0\displaystyle \alpha(\mathrm{Q}_{n})-\alpha(\mathrm{D})=\frac{3(14u^{2}+16nu+7)}{7(7-12u)}\ge0이다. 따라서 0≤u≤12\displaystyle 0\le u\le\frac{1}{2}에서 얻는 모든 점 D\displaystyle \mathrm{D}는 선분 MnQn\displaystyle \mathrm{M}_{n}\mathrm{Q}_{n} 위에 있다.② n+12≤x≤n+1\displaystyle n+\frac{1}{2}\le x\le n+1: α(C)=n+u (12≤u≤1)\displaystyle \alpha(\mathrm{C})=n+u\ \left(\frac{1}{2}\le u\le1\right)이라 두면 α(D)=3(4nu−3n+2u2−2)12u−5\displaystyle \alpha(\mathrm{D})=\frac{3(4nu-3n+2u^{2}-2)}{12u-5}이다. α(D)−α(Mn)=3(2u−1)(16n+2u+19)2(12u−5)≥0\displaystyle \alpha(\mathrm{D})-\alpha(\mathrm{M}_{n})=\frac{3(2u-1)(16n+2u+19)}{2(12u-5)}\ge0이고 α(Qn)−α(D)=6(1−u)(8n+7u+7)7(12u−5)≥0\displaystyle \alpha(\mathrm{Q}_{n})-\alpha(\mathrm{D})=\frac{6(1-u)(8n+7u+7)}{7(12u-5)}\ge0이므로 항상 점 D\displaystyle \mathrm{D}는 선분 MnQn\displaystyle \mathrm{M}_{n}\mathrm{Q}_{n} 위에 있다. 한편 u=12\displaystyle u=\frac{1}{2}일 때 α(D)=α(Mn)\displaystyle \alpha(\mathrm{D})=\alpha(\mathrm{M}_{n}), u=1\displaystyle u=1일 때 α(D)=α(Qn)\displaystyle \alpha(\mathrm{D})=\alpha(\mathrm{Q}_{n})이다. 또 고정된 n\displaystyle n에 대해, α(D)\displaystyle \alpha(\mathrm{D})를 나타내는 함수를 변수 u\displaystyle u에 관한 함수로 보면, 이 함수는 닫힌구간 [12,1]\displaystyle \left[\frac{1}{2},1\right]에서 연속이므로, n+12≤x≤n+1\displaystyle n+\frac{1}{2}\le x\le n+1일 때, 점 D\displaystyle \mathrm{D}가 나타내는 도형은 선분 MnQn\displaystyle \mathrm{M}_{n}\mathrm{Q}_{n} 전체이다. n≤x≤n+12\displaystyle n\le x\le n+\frac{1}{2}일 때 점 D\displaystyle \mathrm{D}가 나타내는 도형 또한 모두 이 선분 위에 있으므로, 한 주기에서 점 D\displaystyle \mathrm{D}가 나타내는 도형은 바로 선분 MnQn\displaystyle \mathrm{M}_{n}\mathrm{Q}_{n}이다.

+3점 · 선분들이 점점 커져 전체 자취가 마지막 선분 M2026Q2026\displaystyle \mathrm{M}_{2026}\mathrm{Q}_{2026}이 됨을 설명할 수 있다.

또한 n\displaystyle n이 1\displaystyle 1만큼 증가할 때, α(Mn+1)=α(Mn)−3\displaystyle \alpha(\mathrm{M}_{n+1})=\alpha(\mathrm{M}_{n})-3, α(Qn+1)=α(Qn)+37\displaystyle \alpha(\mathrm{Q}_{n+1})=\alpha(\mathrm{Q}_{n})+\frac{3}{7}이므로, 선분 MnQn\displaystyle \mathrm{M}_{n}\mathrm{Q}_{n}은 다음 주기의 선분 Mn+1Qn+1\displaystyle \mathrm{M}_{n+1}\mathrm{Q}_{n+1} 안에 완전히 포함된다. 따라서 0≤x≤2027\displaystyle 0\le x\le2027에서 점 D\displaystyle \mathrm{D}가 나타내는 도형은 마지막 주기에서 얻는 선분 M2026Q2026\displaystyle \mathrm{M}_{2026}\mathrm{Q}_{2026} 하나이다.

+3점 · 선분 M2026Q2026\displaystyle \mathrm{M}_{2026}\mathrm{Q}_{2026}의 길이를 정확히 구할 수 있다.

이제 이 선분의 길이를 구하자. 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 기울기는 −43\displaystyle -\frac{4}{3}이고 α(Qn)−α(Mn)=48n+6314\displaystyle \alpha(\mathrm{Q}_{n})-\alpha(\mathrm{M}_{n})=\frac{48n+63}{14}이므로, MnQn‾=53⋅48n+6314=5(16n+21)14\displaystyle \overline{\mathrm{M}_{n}\mathrm{Q}_{n}}=\frac{5}{3}\cdot\frac{48n+63}{14}=\frac{5(16n+21)}{14}을 얻는다. 이제 n=2026\displaystyle n=2026을 대입하면 M2026Q2026‾=16218514\displaystyle \overline{\mathrm{M}_{2026}\mathrm{Q}_{2026}}=\frac{162185}{14}이 된다. 따라서 구하는 선분의 길이는 16218514\displaystyle \frac{162185}{14}이다.

[문제 2-ⅳ]

+4점 · 앞에서 생긴 도형이 뒤에서 생긴 도형에 차례로 포함되어 전체 도형이 2026+12≤x≤2027\displaystyle 2026+\frac{1}{2}\le x\le2027에서 생기는 도형이 됨을 설명할 수 있다.

점 C\displaystyle \mathrm{C}가 n≤x≤n+12\displaystyle n\le x\le n+\frac{1}{2} (n\displaystyle n은 정수)에서 움직일 때 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}가 만드는 도형을 Rn\displaystyle R_{n}라 하고, n+12≤x≤n+1\displaystyle n+\frac{1}{2}\le x\le n+1에서 움직일 때 만드는 도형을 Tn\displaystyle T_{n}이라 하자.① 먼저 도형 Rn\displaystyle R_{n}이 도형 Tn\displaystyle T_{n}에 포함됨을 보이자.n≤x≤n+12\displaystyle n\le x\le n+\frac{1}{2}에서의 곡선은 y=−2(x−n)2+(x−n)\displaystyle y=-2(x-n)^{2}+(x-n)이고 x=n+12\displaystyle x=n+\frac{1}{2}에서의 접선은 y=−x+n+12\displaystyle y=-x+n+\frac{1}{2}이다. 이 곡선과 접선의 위치관계를 살펴보자. n≤x≤n+12\displaystyle n\le x\le n+\frac{1}{2}에서 (−x+n+12)−(−2(x−n)2+(x−n))=2(x−n−12)2≥0\displaystyle \left(-x+n+\frac{1}{2}\right)-(-2(x-n)^{2}+(x-n))=2\left(x-n-\frac{1}{2}\right)^{2}\ge0이므로, n≤x≤n+12\displaystyle n\le x\le n+\frac{1}{2}에서의 곡선은 항상 x=n+12\displaystyle x=n+\frac{1}{2}에서의 접선 아래에 놓인다. [문제 2-ⅲ]에서 이미 보였듯이, 같은 한 주기 n≤x≤n+1\displaystyle n\le x\le n+1 안에서는 점 D\displaystyle \mathrm{D}가 움직이는 범위가 선분 MnQn\displaystyle \mathrm{M}_{n}\mathrm{Q}_{n} 이다. 따라서 n≤x≤n+12\displaystyle n\le x\le n+\frac{1}{2}에서 생기는 모든 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}의 아래쪽 끝점 D\displaystyle \mathrm{D}는 모두 선분 MnQn\displaystyle \mathrm{M}_{n}\mathrm{Q}_{n} 위에 있다.한편 n+12≤x≤1\displaystyle n+\frac{1}{2}\le x\le1에서 생기는 도형 Tn\displaystyle T_{n}은, 위쪽 경계인 직선 y=−x+n+12\displaystyle y=-x+n+\frac{1}{2}과 아래쪽 경계인 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB} 및 직선 y=x−n−1\displaystyle y=x-n-1 사이의 영역을 포함한다. 특히 점 (n+12,0)\displaystyle \left(n+\frac{1}{2},0\right), Mn\displaystyle \mathrm{M}_{n}, Qn\displaystyle \mathrm{Q}_{n}을 꼭짓점으로 하는 삼각형 전체가 Tn\displaystyle T_{n} 안에 들어간다. 실제로 α(Qn)≤x≤n+12\displaystyle \alpha(\mathrm{Q}_{n})\le x\le n+\frac{1}{2}에서는 Tn\displaystyle T_{n}의 아래 경계가 직선 y=x−n−1\displaystyle y=x-n-1 인데, 이 직선은 점 Qn\displaystyle \mathrm{Q}_{n}과 점 (n+12,0)\displaystyle \left(n+\frac{1}{2},0\right)을 이은 선분보다 더 아래에 있으므로, 그 삼각형이 통째로 Tn\displaystyle T_{n}에 포함된다. 또 n≤x≤n+12\displaystyle n\le x\le n+\frac{1}{2}에서의 곡선은 x\displaystyle x축 위쪽에 있고, 방금 확인한 것처럼 직선 y=−x+n+12\displaystyle y=-x+n+\frac{1}{2} 아래에 있으므로 n≤x≤n+12\displaystyle n\le x\le n+\frac{1}{2}인 모든 점 C\displaystyle \mathrm{C}는 이 삼각형 안에 있다. 삼각형 내부의 임의의 두 점을 이은 선분은 다시 삼각형 안에 놓여 있으므로, 밑변 MnQn\displaystyle \mathrm{M}_{n}\mathrm{Q}_{n} 위의 점 D\displaystyle \mathrm{D}와 삼각형 안의 점 C\displaystyle \mathrm{C}를 이은 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}도 삼각형 안에 놓인다. 따라서 n≤x≤n+12\displaystyle n\le x\le n+\frac{1}{2}에서 생기는 선분들은 모두 이미 Tn\displaystyle T_{n} 안에 들어 있으며, 곧 Rn\displaystyle R_{n}은 Tn\displaystyle T_{n} 안에 들어있게 된다.Correction. 구간 n+1/2≤x≤1\displaystyle n+1/2\le x\le1의 오른쪽 끝은 n+1\displaystyle n+1이어야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.② 다음으로 도형 Tn\displaystyle T_{n}이 도형 Tn+1\displaystyle T_{n+1}에 포함됨을 보이자. x=n+32\displaystyle x=n+\frac{3}{2}에서의 접선은 y=−x+n+32\displaystyle y=-x+n+\frac{3}{2}이다. n+12≤x≤n+1\displaystyle n+\frac{1}{2}\le x\le n+1에서의 곡선 y=2(x−n)2−3(x−n)+1\displaystyle y=2(x-n)^{2}-3(x-n)+1과 방금 구한 접선을 비교하면 (−x+n+32)−(2(x−n)2−3(x−n)+1)=12+2(x−n)(1−(x−n))>0\displaystyle \left(-x+n+\frac{3}{2}\right)-(2(x-n)^{2}-3(x-n)+1)=\frac{1}{2}+2(x-n)(1-(x-n))>0이 성립한다. 따라서 n+12≤x≤n+1\displaystyle n+\frac{1}{2}\le x\le n+1에서 생긴 도형은 n+32≤x≤n+2\displaystyle n+\frac{3}{2}\le x\le n+2에서 생긴 도형 안에 들어간다. 결국 전체 도형은 2026+12≤x≤2027\displaystyle 2026+\frac{1}{2}\le x\le2027에서 생기는 도형 하나와 같다.

+3점 · 2026+12≤x≤2027\displaystyle 2026+\frac{1}{2}\le x\le2027에서 생기는 도형을 적분으로 올바르게 분할하여 넓이에 관한 식을 세울 수 있다.

이제 일반적인 n\displaystyle n에 대해 Tn\displaystyle T_{n}의 넓이 Sn\displaystyle S_{n}을 구하자. Tn\displaystyle T_{n}은 다음과 같이 세 부분으로 나누어 적분할 수 있다.Sn=∫α(Mn)α(Qn){(−x+n+12)−(−43x−1)}dx+∫α(Qn)n+12{(−x+n+12)−(x−n−1)}dx+∫n+12n+1{(2(x−n)2−3(x−n)+1)−(x−n−1)}dx\displaystyle \begin{aligned} S_{n} &=\int_{\alpha(\mathrm{M}_{n})}^{\alpha(\mathrm{Q}_{n})}\left\{\left(-x+n+\frac{1}{2}\right)-\left(-\frac{4}{3}x-1\right)\right\}dx+\int_{\alpha(\mathrm{Q}_{n})}^{n+\frac{1}{2}}\left\{\left(-x+n+\frac{1}{2}\right)-(x-n-1)\right\}dx \\ &\quad+\int_{n+\frac{1}{2}}^{n+1}\{(2(x-n)^{2}-3(x-n)+1)-(x-n-1)\}dx \end{aligned}여기서 α(Mn)=−3n−92\displaystyle \alpha(\mathrm{M}_{n})=-3n-\frac{9}{2}, α(Qn)=3n7\displaystyle \alpha(\mathrm{Q}_{n})=\frac{3n}{7}이므로 계산하면 Sn=167n2+6n+9524\displaystyle S_{n}=\frac{16}{7}n^{2}+6n+\frac{95}{24}를 얻는다.

+3점 · 최종 면적을 정확히 구할 수 있다.

따라서 n=2026\displaystyle n=2026을 대입하면 S2026=1578238457168\displaystyle S_{2026}=\frac{1578238457}{168}이 된다. 따라서 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}가 이루는 도형의 면적은 1578238457168\displaystyle \frac{1578238457}{168}이다.

※ S2026\displaystyle S_{2026}을 다음과 같은 방식으로도 계산할 수 있다. M2026\displaystyle \mathrm{M}_{2026}, (−34,0)\displaystyle \left(-\frac{3}{4},0\right), (40532,0)\displaystyle \left(\frac{4053}{2},0\right)을 세 꼭짓점으로 하는 삼각형의 넓이와 Q2026\displaystyle \mathrm{Q}_{2026}, (−34,0)\displaystyle \left(-\frac{3}{4},0\right), (2027,0)\displaystyle (2027,0)을 세 꼭짓점으로 하는 삼각형의 넓이의 합에서 구간 [40532,2027]\displaystyle \left[\frac{4053}{2},2027\right]에서의 곡선과 x\displaystyle x축 사이의 넓이를 빼는 방식으로 구할 수 있다.

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