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자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

문제 1-A

(1) 이 문항은 연립방정식{2x+2y+z=100x+y+z=60\displaystyle \begin{cases}2x+2y+z=100\\x+y+z=60\end{cases}의 자연수해의 개수를 구하는 것이다. 위의 식에서 아래의 식을 빼 주면, x+y=40\displaystyle x+y=40을 얻고 이로부터 z=20\displaystyle z=20을 얻는다. 따라서 연립방정식을 만족하는 자연수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 모든 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수는 x+y=40\displaystyle x+y=40을 만족하는 자연수 x,y\displaystyle x,y의 순서쌍 (x,y)\displaystyle (x,y)의 개수와 같다. x+y=40\displaystyle x+y=40을 만족하는 자연수 x,y\displaystyle x,y의 순서쌍 (x,y)\displaystyle (x,y)의 개수는 40을 두 개의 자연수로 분할하는 경우의 수와 같으므로, P(40,2)=39C1=39\displaystyle P(40,2)={}_{39}\mathrm{C}_1=39이다.

(2) 집합 A\displaystyle A의 원소의 개수는 2x+2y+z=100\displaystyle 2x+2y+z=100을 만족하는 자연수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수이다. x+y=k\displaystyle x+y=k라 하면, x,y\displaystyle x,y는 자연수이고, z=1002x2y=2(50k)\displaystyle z=100-2x-2y=2(50-k)도 자연수 이므로 k\displaystyle k는 2 이상 49이하의 모든 자연수, 즉 2x+y=k49\displaystyle 2\le x+y=k\le49이다. 따라서 z\displaystyle z는 2 이상 96 이하의 짝수이다. 이로부터 2x+2y+z=100\displaystyle 2x+2y+z=100을 만족하는 자연수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수는 2x+y=k49\displaystyle 2\le x+y=k\le49을 만족하는 자연수 x,y\displaystyle x,y의 순서쌍 (x,y)\displaystyle (x,y)의 개수와 같다.

x+y=k\displaystyle x+y=k를 만족하는 자연수 x,y\displaystyle x,y의 모든 순서쌍 (x,y)\displaystyle (x,y)의 개수는 P(k,2)=k1C1=k1\displaystyle P(k,2)={}_{k-1}\mathrm{C}_1=k-1이므로, 2x+y=k49\displaystyle 2\le x+y=k\le49을 만족하는 자연수 x,y\displaystyle x,y의 모든 순서쌍 (x,y)\displaystyle (x,y)의 개수는k=249P(k,2)=k=249(k1)=m=148m=1176\displaystyle \sum_{k=2}^{49}P(k,2)=\sum_{k=2}^{49}(k-1)=\sum_{m=1}^{48}m=1176이다.

이 중에서 x+y+z=60\displaystyle x+y+z=60을 만족하는 자연수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수는 문항 (1)로부터 39개 이므로, 집합 A\displaystyle A의 원소 중에서 x+y+z=60\displaystyle x+y+z=60을 만족하지 않는 자연수 x,y,z\displaystyle x,y,z의 순서쌍 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)의 개수는 117639=1137\displaystyle 1176-39=1137개 이다.

문제 1-B

시각 t\displaystyle t에서 물탱크 안의 물의 양의 순간변화율은 f(t)g(t)\displaystyle f(t)-g(t)이다. 따라서 t=0\displaystyle t=0에서 t=2\displaystyle t=2까지 물탱크 물의 변화량(L)은 순간변화율을 적분하여 얻을 수 있다. 최초의 물의 양 10L를 더하면 t=2\displaystyle t=2에서 물의 양은10+02(f(t)g(t))dt\displaystyle 10+\int_0^2(f(t)-g(t))\,dt

두 함수 f(t)\displaystyle f(t), g(t)\displaystyle g(t) 각각에 대한 정적분을 부분적분과 치환적분을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.02f(t)dt=024(t+2)ln(t+2)dt=2x2lnxx224=56ln212\displaystyle \begin{aligned}\int_0^2f(t)\,dt&=\int_0^24(t+2)\ln(t+2)\,dt\\&=\left.2x^2\ln x-x^2\right|_2^4\\&=56\ln2-12\end{aligned}02g(t)dt=022ln(t+1)(t+1)dt=0ln32udu=(ln3)2\displaystyle \begin{aligned}\int_0^2g(t)\,dt&=\int_0^2\frac{2\ln(t+1)}{(t+1)}\,dt\\&=\int_0^{\ln3}2u\,du\\&=(\ln3)^2\end{aligned}

따라서 t=2\displaystyle t=2에 물탱크에 들어있는 물의 양은 56ln22(ln3)2\displaystyle 56\ln2-2-(\ln3)^2 (L) 이다.

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