수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

공학계열 1번

문제

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해설강의 준비중
1-1 · 미분계수와 접선의 기울기 사이의 관계 및 수직인 벡터와 내적의 관계를 이해할 뿐 아니라 함수의 극한의 성질, 연속 함수의 극한 및 미분계수의 정의를 이해하는지 평가한다.

[1-1]곡선 위의 점 (s,f(s))\displaystyle (s,f(s))에서의 접선의 기울기는 f(s)\displaystyle f^{\prime}(s)이므로 벡터 (1,f(s))\displaystyle (1,f^{\prime}(s))는 점 (s,f(s))\displaystyle (s,f(s))에서 (t,t)\displaystyle (t,t)로의 벡터 (st,f(s)t)\displaystyle (s-t,f(s)-t)와 수직이다. 그러므로 (1,f(s))(st,f(s)t)=0\displaystyle (1,f^{\prime}(s))\cdot(s-t,f(s)-t)=0st+f(s){f(s)t}=0\displaystyle s-t+f^{\prime}(s)\{f(s)-t\}=0을 만족한다.Correction. 좌표 (st,f(s)t)\displaystyle (s-t,f(s)-t)는 점 (t,t)\displaystyle (t,t)에서 (s,f(s))\displaystyle (s,f(s))로 향하는 벡터이다. 원문의 출발점과 도착점이 바뀌어 있다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.다시 말해, (s1)(t1)+f(s){(f(s)1)(t1)}=0\displaystyle (s-1)-(t-1)+f^{\prime}(s)\{(f(s)-1)-(t-1)\}=0이고 s1\displaystyle s\ne1s\displaystyle s에 대하여 이 등식을 s1\displaystyle s-1로 나눠준 뒤 정리하면,t1s1=1+f(s)f(s)1s11+f(s)\displaystyle \frac{t-1}{s-1}=\frac{1+f^{\prime}(s)\cdot\frac{f(s)-1}{s-1}}{1+f^{\prime}(s)}을 얻게 된다. 이 때 가정에서 주어진 f(s)1\displaystyle f^{\prime}(s)\ne-1을 사용하였다.이제 s1\displaystyle s\to1로 보내면, f(1)=α\displaystyle f^{\prime}(1)=\alpha이고 f\displaystyle f^{\prime}이 연속이므로lims1t1s1=lims11+f(s)f(s)1s11+f(s)=1+α21+α\displaystyle \lim_{s\to1}\frac{t-1}{s-1}=\lim_{s\to1}\frac{1+f^{\prime}(s)\cdot\frac{f(s)-1}{s-1}}{1+f^{\prime}(s)}=\frac{1+\alpha^2}{1+\alpha}을 얻는다.

1-2 · 곡선의 길이와 함수의 미분가능성을 이해하며 미적분학의 기본 정리를 활용할 수 있는지 평가한다.

[1-2]곡선의 길이는 제시문 [가]와 같이 주어졌다. 만일 s<1\displaystyle s<1이면 L(s)=s11+f(t)2dt\displaystyle L(s)=\int_s^1\sqrt{1+f^{\prime}(t)^2}\,dt가 되고, L(1)=0\displaystyle L(1)=0이다. 따라서lims10L(s)L(1)s1=lims101s1s11+f(t)2dt=lims101s11s1+f(t)2dt=1+α2\displaystyle \begin{aligned}\lim_{s\to1-0}\frac{L(s)-L(1)}{s-1}&=\lim_{s\to1-0}\frac1{s-1}\int_s^1\sqrt{1+f^{\prime}(t)^2}\,dt\\&=-\lim_{s\to1-0}\frac1{s-1}\int_1^s\sqrt{1+f^{\prime}(t)^2}\,dt\\&=-\sqrt{1+\alpha^2}\end{aligned}이다. 여기서 마지막 등식은 미적분학의 기본정리를 이용한 것이다.마찬가지로, s>1\displaystyle s>1인 경우,lims1+0L(s)L(1)s1=lims1+01s11s1+f(t)2dt=1+α2\displaystyle \lim_{s\to1+0}\frac{L(s)-L(1)}{s-1}=\lim_{s\to1+0}\frac1{s-1}\int_1^s\sqrt{1+f^{\prime}(t)^2}\,dt=\sqrt{1+\alpha^2}이다. 따라서lims10L(s)L(1)s1=1+α21+α2=lims1+0L(s)L(1)s1\displaystyle \lim_{s\to1-0}\frac{L(s)-L(1)}{s-1}=-\sqrt{1+\alpha^2}\ne\sqrt{1+\alpha^2}=\lim_{s\to1+0}\frac{L(s)-L(1)}{s-1}가 되어 L(s)\displaystyle L(s)s=1\displaystyle s=1에서 미분 불가능하다.

1-3 · 치환적분 및 로그함수의 미적분을 이해하는지 평가한다.

[1-3]h(x)=g(g(x))x2=lnc+ln(lnx)lnxxlnx\displaystyle h(x)=\frac{g(g(x))}{x^2}=\frac{\ln c+\ln(\ln x)-\ln x}{x\ln x}이다. s=lnx\displaystyle s=\ln x라 치환하면 lne=1,lnee=e\displaystyle \ln e=1,\ln e^e=e,ds=dxx\displaystyle ds=\frac{dx}x이므로 eeeh(x)dx=1elnc+lnsssds=[lnclns+12(lns)2s]1e=lnc+32e=0\displaystyle \int_e^{e^e}h(x)\,dx=\int_1^e\frac{\ln c+\ln s-s}s\,ds=\Biggl[\ln c\ln s+\frac12(\ln s)^2-s\Biggr]_1^e=\ln c+\frac32-e=0.그러므로 lnc=e32\displaystyle \ln c=e-\frac32, 즉, h(x)=e32+lnlnxlnxxlnx\displaystyle h(x)=\frac{e-\frac32+\ln\ln x-\ln x}{x\ln x}이다.

1-4 · 중간값 정리를 사용하여 서로 다른 세 실근이 존재함을 보일 수 있는지 평가한다.

[1-4]문항 [1-3]에서 구한 함수 h(x)\displaystyle h(x)에 대하여,(i) limx1+0ln(lnx)=\displaystyle \lim_{x\to1+0}\ln(\ln x)=-\infty이므로 limx1+0(h(x)+14ee1)=\displaystyle \lim_{x\to1+0}\left(h(x)+\frac14e^{-e-1}\right)=-\infty이다.(ii) h(e)+14ee1=152e1+14ee1>0\displaystyle h(e)+\frac14e^{-e-1}=1-\frac52e^{-1}+\frac14e^{-e-1}>0.(iii) h(ee)+14ee1=12ee1+14ee1=14ee1<0\displaystyle h(e^e)+\frac14e^{-e-1}=-\frac12e^{-e-1}+\frac14e^{-e-1}=-\frac14e^{-e-1}<0.(iv) h(x)=e32+lnlnxlnxxlnx=e32lnx+lnlnxlnx1x\displaystyle h(x)=\frac{e-\frac32+\ln\ln x-\ln x}{x\ln x}=\frac{\frac{e-\frac32}{\ln x}+\frac{\ln\ln x}{\ln x}-1}x이므로 limxh(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}h(x)=0이 되어 limxh(x)+14ee1=14ee1>0\displaystyle \lim_{x\to\infty}h(x)+\frac14e^{-e-1}=\frac14e^{-e-1}>0이다.따라서 중간값 정리에 의하여 방정식 h(x)+14ee1=0\displaystyle h(x)+\frac14e^{-e-1}=0은 적어도 서로 다른 세 개의 실근을 갖는다.

Comment. g\displaystyle g의 정의역을 x>1\displaystyle x>1로 두면 g(x)1\displaystyle g(x)\le1인 곳에서는 g(g(x))\displaystyle g(g(x))가 정의되지 않는다. 실제로 대학 답안의 값에서는g(ee)=e1/2<1\displaystyle g(e^e)=e^{-1/2}<1이다. g\displaystyle gx>0\displaystyle x>0, h\displaystyle hx>1\displaystyle x>1에서 정의해야 답안의 계산이 성립한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

평가방법: 구간별 등급 부여인원을 준수하여 상대평가

평가배점: 소문항을 모두 포함한 문제를 10점 만점으로 0~10등급 사이에서의 최종 평가등급을 부여함

답안이나 답안지 여백에 문제와 관계없는 불필요한 낙서나 이와 유사한 표식이 있는 경우 과락처리함

문제와 전혀 관계없는 내용으로 작성된 답안의 경우 과락처리함

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