수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 2번

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문제

다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (20점)

두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x) 및 두 직선 x=a\displaystyle x=a, x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는S=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx\displaystyle S=\int_a^b|f(x)-g(x)|dx[출처 : 수학II 「정적분의 활용」]

곡선 C:y=x3+ax\displaystyle C:y=x^3+ax 위의 점 P\displaystyle P에서의 접선 ℓ\displaystyle \ell과 곡선 C\displaystyle C가 만나는 다른 점을 Q\displaystyle Q라고 하자. 선분 PQ\displaystyle PQ의 중점 R\displaystyle R의 x\displaystyle x좌표를 b\displaystyle b라고 할 때, 다음 문항에 답하시오.

(1) 점 P\displaystyle P와 점 Q\displaystyle Q의 x\displaystyle x좌표를 각각 b\displaystyle b의 식으로 나타내시오.

(2) 곡선 C\displaystyle C와 선분 PR\displaystyle PR 및 직선 x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이를 K\displaystyle K, 곡선 C\displaystyle C와 선분 QR\displaystyle QR 및 직선 x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이를 L\displaystyle L이라 할 때, 극한값 lim⁡b→∞KL\displaystyle \lim_{b\to\infty}\frac KL을 구하시오.

해설강의 준비중
+8점 · 접선 ℓ\displaystyle \ell의 방정식을 구하고 곡선 C\displaystyle C와 접선 ℓ\displaystyle \ell의 교점의 x\displaystyle x좌표를 구한다.

(1) 점 P\displaystyle P의 좌표를 (t,t3+at)\displaystyle (t,t^3+at)라고 하자. 점 P\displaystyle P에서의 접선의 기울기는 (3t2+a)\displaystyle (3t^2+a)이므로 구하는 접선 ℓ\displaystyle \ell의 방정식은y=(3t2+a)(x−t)+(t3+at)=(3t2+a)x−2t3\displaystyle y=(3t^2+a)(x-t)+(t^3+at)=(3t^2+a)x-2t^3이다. 직선 ℓ\displaystyle \ell과 곡선 C\displaystyle C의 교점의 x\displaystyle x좌표는 다음 방정식을 만족한다.(3t2+a)x−2t3=x3+ax ⇔ (x−t)2(x+2t)=0\displaystyle (3t^2+a)x-2t^3=x^3+ax\ \Leftrightarrow\ (x-t)^2(x+2t)=0따라서 점 Q\displaystyle Q의 x\displaystyle x좌표는 −2t\displaystyle -2t이고 선분 PQ\displaystyle PQ의 중점 R\displaystyle R의 x\displaystyle x좌표는 b=−t2\displaystyle b=-\frac t2이다. 그러므로 점 P\displaystyle P의 x\displaystyle x좌표는 −2b\displaystyle -2b, 점 Q\displaystyle Q의 x\displaystyle x좌표는 4b\displaystyle 4b이다.

+12점 · 도형의 넓이 K\displaystyle K, L\displaystyle L을 구하고, 극한값 lim⁡b→∞KL\displaystyle \lim_{b\to\infty}\frac KL을 구한다.

(2) b>0\displaystyle b>0이면 접선 ℓ\displaystyle \ell은 곡선 C\displaystyle C와 그림과 같이 접한다.

삼차곡선과 접선, 점 P Q R

접선 ℓ\displaystyle \ell의 방정식은y=(12b2+a)x+16b3\displaystyle y=(12b^2+a)x+16b^3이므로 두 도형의 넓이 K,L\displaystyle K,L은 다음과 같다.K=∫−2bb(−x3+12b2x+16b3)dx=[−x44+6b2x2+16b3x]−2bb=1354b4\displaystyle K=\int_{-2b}^b(-x^3+12b^2x+16b^3)dx=\Biggl[-\frac{x^4}4+6b^2x^2+16b^3x\Biggr]_{-2b}^b=\frac{135}4b^4L=∫b4b(−x3+12b2x+16b3)dx=[−x44+6b2x2+16b3x]b4b=2974b4\displaystyle L=\int_b^{4b}(-x^3+12b^2x+16b^3)dx=\Biggl[-\frac{x^4}4+6b^2x^2+16b^3x\Biggr]_b^{4b}=\frac{297}4b^4따라서 구하는 극한값은 lim⁡b→∞KL=135297=511\displaystyle \lim_{b\to\infty}\frac KL=\frac{135}{297}=\frac5{11}이다.

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