수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (1차) 2번

문제

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해설강의 준비중
· 【2-1】 다양한 미분법과 적분과 미분의 관계를 이용하여 좌표평면 위에서 움직이는 점의 속도를 구하고 이를 이용하여 움직인 거리를 정적분으로 나타낼 수 있다. 치환적분법을 이용하여 정적분의 값을 구할 수 있다.

【2-1】 dxdt=e3t+(t+1)et\displaystyle \frac{dx}{dt}=e^{3t}+(t+1)e^t, dydt=(2tt2)e2t+2t\displaystyle \frac{dy}{dt}=\sqrt{(2t-t^2)e^{2t}+2t}이므로 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 움직인 거리는12ln2(dxdt)2+(dydt)2dt=12ln2(e3t+tet+et)2+(2tt2)e2t+2tdt\displaystyle \int_{\frac12}^{\ln2}\sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}\,dt=\int_{\frac12}^{\ln2}\sqrt{(e^{3t}+te^t+e^t)^2+(2t-t^2)e^{2t}+2t}\,dt근호 안의 식을 정리하면{e3t+(t+1)et}2+(2tt2)e2t+2t=t(2e4t+4e2t+2)+e6t+2e4t+e2t=2t(e4t+2e2t+1)+e2t(e4t+2e2t+1)=(2t+e2t)(e2t+1)2\displaystyle \begin{aligned}\{e^{3t}+(t+1)e^t\}^2+(2t-t^2)e^{2t}+2t&=t(2e^{4t}+4e^{2t}+2)+e^{6t}+2e^{4t}+e^{2t}\\&=2t(e^{4t}+2e^{2t}+1)+e^{2t}(e^{4t}+2e^{2t}+1)\\&=(2t+e^{2t})(e^{2t}+1)^2\end{aligned}이므로 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 움직인 거리는 12ln2(e2t+1)e2t+2tdt\displaystyle \int_{\frac12}^{\ln2}(e^{2t}+1)\sqrt{e^{2t}+2t}\,dt이다.e2t+2t=u\displaystyle e^{2t}+2t=u로 놓으면 dudt=2(e2t+1)\displaystyle \frac{du}{dt}=2(e^{2t}+1)이고, t=12\displaystyle t=\frac12일 때 u=e+1\displaystyle u=e+1, t=ln2\displaystyle t=\ln2일 때 u=4+2ln2\displaystyle u=4+2\ln2이므로 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 움직인 거리는12ln2(e2t+1)e2t+2tdt=12e+14+2ln2udu=(4+2ln2)32(e+1)323\displaystyle \int_{\frac12}^{\ln2}(e^{2t}+1)\sqrt{e^{2t}+2t}\,dt=\frac12\int_{e+1}^{4+2\ln2}\sqrt{u}\,du=\frac{(4+2\ln2)^{\frac32}-(e+1)^{\frac32}}3

· 【2-2】 제시문 [나]에 주어진 도함수의 부호와 함수의 증가·감소의 관계를 이용하여 부등식이 성립함을 보일 수 있다. 제시문 [다]에 주어진 그래프 개형을 그리는 방법을 바탕으로, 도함수와 이계도함수를 이용하여 그래프의 개형을 그릴 수 있다.

【2-2】 g(x)=2exx2\displaystyle g(x)=2e^x-x^2이라고 하면, g(x)=2(exx)>0\displaystyle g^{\prime}(x)=2(e^x-x)>0이므로 제시문 [나]에 의해 g(x)\displaystyle g(x)는 증가한다. g(0)=2>0\displaystyle g(0)=2>0이므로 x0\displaystyle x\ge0에서 g(x)>0\displaystyle g(x)>0이 되어 부등식 2ex>x2\displaystyle 2e^x>x^2이 성립한다. 따라서 x>0\displaystyle x>0일 때, 0<xex<2x\displaystyle 0<xe^{-x}<\frac2x이고 limx2x=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac2x=0이므로 limxxex=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}xe^{-x}=0이다.함수 f(x)=xex\displaystyle f(x)=xe^{-x}의 정의역은 실수 전체의 집합이고, f(0)=0\displaystyle f(0)=0이므로 원점을 지난다. f(x)=(1x)ex\displaystyle f^{\prime}(x)=(1-x)e^{-x}이고 f(x)=(x2)ex\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=(x-2)e^{-x}이므로, 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

함수 f와 두 도함수의 부호 및 증감표

함수 f(x)\displaystyle f(x)x=1\displaystyle x=1에서 극댓값 e1\displaystyle e^{-1}을 갖고, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 변곡점의 좌표는 (2,2e2)\displaystyle (2,2e^{-2})이다. 또 limxf(x)=\displaystyle \lim_{x\to-\infty}f(x)=-\infty이고 limxf(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=0이다. 따라서 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프의 개형은 다음 그림과 같다.

함수 y=xe의 -x승의 그래프
· 【2-3】 제시문 [라]를 이용하여 지수함수 y=ex\displaystyle y=e^{-x} 위의 한 점에서의 접선의 방정식을 구한 후, 직사각형 R1\displaystyle \mathrm{R}_1의 넓이를 구할 수 있다. 두 직사각형 R0\displaystyle \mathrm{R}_0R1\displaystyle \mathrm{R}_1의 넓이의 합이 최대가 되는 양수 c\displaystyle c의 값을 도함수를 이용하여 구할 수 있다.

【2-3】 직사각형 R0\displaystyle \mathrm{R}_0의 넓이는 (tc)et\displaystyle (t-c)e^{-t}이다. 그리고, 제시문 [라]에 의하여, 곡선 y=ex\displaystyle y=e^{-x} 위의 점 (t,et)\displaystyle (t,e^{-t})에서의 접선의 방정식은 y=et(xt)+et\displaystyle y=-e^{-t}(x-t)+e^{-t}이다. 따라서 이 접선의 x\displaystyle x절편은 t1=t+1\displaystyle t_1=t+1이 되어, 직사각형 R1\displaystyle \mathrm{R}_1의 넓이는 et1\displaystyle e^{-t-1}이다. 직사각형 R0\displaystyle \mathrm{R}_0R1\displaystyle \mathrm{R}_1의 넓이의 합을 S(t)\displaystyle S(t)라고 하면S(t)=(tc)et+et1=(tc+e1)et(t>c)\displaystyle S(t)=(t-c)e^{-t}+e^{-t-1}=(t-c+e^{-1})e^{-t}\quad(t>c)이 되어 S(t)=(1t+ce1)et\displaystyle S^{\prime}(t)=(1-t+c-e^{-1})e^{-t}이므로, 함수 S(t)\displaystyle S(t)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.tc1+ce1S(t)+0S(t)e1c+e1\displaystyle \begin{array}{c|cccc}t&c&\cdots&1+c-e^{-1}&\cdots\\\hline S^{\prime}(t)&&+&0&-\\\hline S(t)&&\nearrow&e^{-1-c+e^{-1}}&\searrow\end{array}따라서 함수 S(t)\displaystyle S(t)t=c+1e1\displaystyle t=c+1-e^{-1}에서 최댓값 e1c+e1\displaystyle e^{-1-c+e^{-1}}을 갖는다.최댓값이 1e\displaystyle \frac1e이므로 c=1e\displaystyle c=\frac1e이다.

· 【2-4】 자연수 k\displaystyle k에 대하여 직사각형 Rk\displaystyle \mathrm{R}_k의 넓이를 구할 수 있다. n+1\displaystyle n+1개의 직사각형 R0\displaystyle \mathrm{R}_0, R1\displaystyle \mathrm{R}_1, \displaystyle \cdots, Rn\displaystyle \mathrm{R}_n의 넓이의 합을 구할 수 있다. 직사각형의 넓이의 합이 최대가 되는 t=an\displaystyle t=a_n을 도함수를 이용하여 구할 수 있다. 등비급수를 이용하여 an\displaystyle a_n의 극한값을 구할 수 있다.

【2-4】 직사각형 R0\displaystyle \mathrm{R}_0의 넓이는 (te1)et\displaystyle (t-e^{-1})e^{-t}이다. k=1,2,3,,n\displaystyle k=1,2,3,\cdots,n일 때, 곡선 y=ex\displaystyle y=e^{-x} 위의 점 (t+k1,etk+1)\displaystyle (t+k-1,e^{-t-k+1})에서의 접선의 방정식은 y=etk+1(xtk+1)+etk+1\displaystyle y=-e^{-t-k+1}(x-t-k+1)+e^{-t-k+1}이다. 따라서 이 접선의 x\displaystyle x절편은 tk=t+k\displaystyle t_k=t+k이 되어, 직사각형 Rk\displaystyle \mathrm{R}_k의 넓이는 etk\displaystyle e^{-t-k}이다. 직사각형 R0\displaystyle \mathrm{R}_0, R1\displaystyle \mathrm{R}_1, R2\displaystyle \mathrm{R}_2, \displaystyle \cdots, Rn\displaystyle \mathrm{R}_n의 넓이의 합을 A(t)\displaystyle A(t)라고 하면A(t)=(te1)et+etk=1nek(t>e1)\displaystyle A(t)=(t-e^{-1})e^{-t}+e^{-t}\sum_{k=1}^n e^{-k}\quad(t>e^{-1})Sn=k=1nek\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^n e^{-k}이라고 하면, A(t)=(te1+Sn)et\displaystyle A(t)=(t-e^{-1}+S_n)e^{-t}이 되어A(t)=(1t+e1Sn)et\displaystyle A^{\prime}(t)=(1-t+e^{-1}-S_n)e^{-t}그러므로 함수 A(t)\displaystyle A(t)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.te11+e1SnA(t)+0A(t)\displaystyle \begin{array}{c|cccc}t&e^{-1}&\cdots&1+e^{-1}-S_n&\cdots\\\hline A^{\prime}(t)&&+&0&-\\\hline A(t)&&\nearrow&&\searrow\end{array}따라서 함수 A(t)\displaystyle A(t)t=an=1+e1Sn\displaystyle t=a_n=1+e^{-1}-S_n에서 최댓값을 갖는다.limnSn=n=1en\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n=\sum_{n=1}^{\infty}e^{-n}은 첫째항이 e1\displaystyle e^{-1}, 공비가 e1\displaystyle e^{-1}인 등비급수이므로 limnSn=e11e1=1e1\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n=\frac{e^{-1}}{1-e^{-1}}=\frac1{e-1}이다. 따라서limnan=1+1e1e1\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=1+\frac1e-\frac1{e-1}

고등학교 교육과정에서 필수적으로 다루어지는 미적분의 기본적인 내용을 바탕으로 급수, 함수의 도함수와 정적분을 제대로 이해하고 이를 다양한 상황에 활용할 수 있는지 평가한다. 특히 평면 위를 움직이는 점의 움직인 거리, 함수의 증가와 감소, 극대와 극소, 함수의 그래프와 부등식, 접선의 방정식 및 등비급수를 활용할 수 있는지 평가한다. 구체적인 채점 기준은 다음과 같다.

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