수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+1점 · 로그함수의 미분을 통해 두 개의 방정식을 유도하면

【1-1】 로그함수의 정의로부터 f(x)=alog3(x1)+blog5(5x)\displaystyle f(x)=a\log_3(x-1)+b\log_5(5-x)는 구간 1<x<5\displaystyle 1<x<5에서 정의되고 최댓값을 갖기 위해서는 위로 볼록한 그래프이다. 따라서 a>0\displaystyle a>0, b>0\displaystyle b>0이어야 한다. f\displaystyle f는 미분가능하므로 도함수를 이용한 최댓값-최솟값을 계산하고자 한다. (logax)=1xlna\displaystyle (\log_a x)^{\prime}=\frac1{x\ln a}이므로f(x)=a(x1)ln3b(5x)ln5=α(5x)β(x1)(x1)(5x)ln3ln5.\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=\frac a{(x-1)\ln3}-\frac b{(5-x)\ln5}\\&=\frac{\alpha(5-x)-\beta(x-1)}{(x-1)(5-x)\ln3\ln5}.\end{aligned}(단. α=aln5\displaystyle \alpha=a\ln5, β=bln3\displaystyle \beta=b\ln3) 임계값을 구하기 위해 f(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0을 풀면 α(5x)β(x1)=0\displaystyle \alpha(5-x)-\beta(x-1)=0이고 주어진 조건으로부터 x=5α+βα+β=3\displaystyle x=\frac{5\alpha+\beta}{\alpha+\beta}=3에서 1=f(3)=alog32+blog52\displaystyle 1=f(3)=a\log_3 2+b\log_5 2이므로 두 식을 풀면 α=β\displaystyle \alpha=\beta, 즉, a=bln3ln5=blog53\displaystyle a=b\frac{\ln3}{\ln5}=b\log_5 3 그리고 blog53log32+blog52=1\displaystyle b\log_5 3\log_3 2+b\log_5 2=1. 따라서

+1점 · 두 값을 정확히 찾으면

b=1log53log32+log52=log45,a=log53log53log32+log52=log43.\displaystyle b=\frac1{\log_5 3\log_3 2+\log_5 2}=\log_4 5,\quad a=\frac{\log_5 3}{\log_5 3\log_3 2+\log_5 2}=\log_4 3.

+1점 · 두 삼각함수의 교점을 구하고 적분결과를 유도하면

【1-2】 구간 (0,π2)\displaystyle \left(0,\frac\pi2\right)에서 asinx\displaystyle a\sin xcosx\displaystyle \cos x가 만나는 x\displaystyle x축의 값은 tan11a\displaystyle \tan^{-1}\frac1a. 그러므로 면적은tan11aπ2asinxcosxdx=acos(tan11a)(1sin(tan11a)).\displaystyle \int_{\tan^{-1}\frac1a}^{\frac\pi2}a\sin x-\cos x\,dx=a\cos\left(\tan^{-1}\frac1a\right)-\left(1-\sin\left(\tan^{-1}\frac1a\right)\right).

+1점 · 치환을 이용하여 적분값을 정확히 계산하면

tanθa=1a\displaystyle \tan\theta_a=\frac1a라 두면,sinθa=1a2+1\displaystyle \sin\theta_a=\frac1{\sqrt{a^2+1}}, cosθa=aa2+1\displaystyle \cos\theta_a=\frac a{\sqrt{a^2+1}}이므로 적분값은 a2a2+1+1a2+11\displaystyle \frac{a^2}{\sqrt{a^2+1}}+\frac1{\sqrt{a^2+1}}-1이다.그런데 이 값은 폐구간 [0,10]\displaystyle [0,10] 안에 있어야 하므로 1a2+111\displaystyle 1\le\sqrt{a^2+1}\le11 (1a2+1121\displaystyle 1\le a^2+1\le121).따라서 가능한 자연수 a\displaystyle a1,2,3,,10\displaystyle 1,2,3,\cdots,10.

+1점 · 접선의 함수를 정확히 구하면

【1-3】 실수 t\displaystyle t에 대하여 점 (t,(10t1)et)\displaystyle (t,(10t-1)e^t)에서 접선은 직선은 y=(10et+(10t1)et)(xt)+(10t1)et\displaystyle y=(10e^t+(10t-1)e^t)(x-t)+(10t-1)e^t이다. 이 직선은 (a,0)\displaystyle (a,0)을 지나므로 0=(10et+(10t1)et)(at)+(10t1)et\displaystyle 0=(10e^t+(10t-1)e^t)(a-t)+(10t-1)e^t을 만족한다. et>0\displaystyle e^t>0이므로 정리하면 10t2(10a+1)t9a+1=0\displaystyle 10t^2-(10a+1)t-9a+1=0이다.

+1점 · 판별식을 이용하여 조건의 영역을 찾으면

모든 t\displaystyle t에 대해서 서로 다른 두 접선이 존재하지 않기 위한 조건은 판별식 D=(10a+1)2+410(9a1)0\displaystyle D=(10a+1)^2+4\cdot10\cdot(9a-1)\le0 (즉 100a2+380a390\displaystyle 100a^2+380a-39\le0).a=190±1902+100391003.9, 0.1\displaystyle a=\frac{-190\pm\sqrt{190^2+100\cdot39}}{100}\simeq-3.9,\ 0.1따라서 만족하는 정수 a\displaystyle a3,2,1,0\displaystyle -3,-2,-1,0

+1점 · 만나는 교점 4개를 구하면

【1-4】 두 말이 만날 수 있는 점은 (0,3)\displaystyle (0,3), (1,2)\displaystyle (1,2), (2,1)\displaystyle (2,1), (3,0)\displaystyle (3,0)이다. 각 점에서 두 말이 만날 수 있는 확률을 계산하여 더하면 된다.

+1점 · 각 교점에서 만날 확률을 모두 더하여 정확한 값을 얻으면

곱의 법칙을 적용하면 (0,3)\displaystyle (0,3)에서 만날 확률은 123123\displaystyle \frac1{2^3}\cdot\frac1{2^3}, (1,2)\displaystyle (1,2)에서 만날 확률은 323323\displaystyle \frac3{2^3}\cdot\frac3{2^3}, (2,1)\displaystyle (2,1)에서 만날 확률은 323323\displaystyle \frac3{2^3}\cdot\frac3{2^3}, (3,0)\displaystyle (3,0)에서 만날 확률은 123123\displaystyle \frac1{2^3}\cdot\frac1{2^3}이다.합의 법칙을 적용하면 2026=524\displaystyle \frac{20}{2^6}=\frac5{2^4}.

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