수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 4번

문제

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해설강의 준비중
+14점 · 직사각형 T\displaystyle T의 넓이 M\displaystyle Ma\displaystyle a의 식으로 나타낸다.

(1)(i) S\displaystyle S의 내부에 포함된다.(ii) 가로는 x\displaystyle x축과 평행하고 세로는 y\displaystyle y축과 평행하다.(iii) 곡선 C\displaystyle C 위의 점 (a,a2+6)\displaystyle (a,-a^2+6)에 오른쪽 위 꼭짓점을 두고 있다.위 조건을 모두 만족하는 직사각형의 넓이가 최대가 되기 위해서는 아래 그림과 같이 직사각형의 왼쪽 아래 꼭짓점이 직선 :2x+y=6\displaystyle \ell:2x+y=6 위에 놓여야 한다. 또한 곡선 C\displaystyle C와 직선 \displaystyle \ell의 교점의 x\displaystyle x좌표는 x=0,2\displaystyle x=0,2이므로, a\displaystyle a의 범위는 0<a<2\displaystyle 0<a<2이다.

포물선과 직선 사이에 놓인 직사각형

왼쪽 아래 꼭짓점이 (x,2x+6)\displaystyle (x,-2x+6)이고 오른쪽 위 꼭짓점이 (a,a2+6)\displaystyle (a,-a^2+6)인 직사각형의 넓이를 f(x)\displaystyle f(x)라고 하자. 왼쪽 아래 꼭짓점의 x,y\displaystyle x,y좌표는 오른쪽 위 꼭짓점의 x,y\displaystyle x,y좌표보다 작아야 하므로 12a2<x<a\displaystyle \frac12a^2<x<a를 만족해야 한다. 이 직사각형의 가로와 세로의 길이는 각각 ax\displaystyle a-xa2+6(2x+6)=a2+2x\displaystyle -a^2+6-(-2x+6)=-a^2+2x이므로 직사각형의 넓이는 다음과 같다.f(x)=(ax)(a2+2x)=2x2+(a2+2a)xa3=2(xa2+2a4)2+a44a3+4a28\displaystyle f(x)=(a-x)(-a^2+2x)=-2x^2+(a^2+2a)x-a^3=-2\left(x-\frac{a^2+2a}4\right)^2+\frac{a^4-4a^3+4a^2}80<a<2\displaystyle 0<a<2에서 12a2<a2+2a4<a\displaystyle \frac12a^2<\frac{a^2+2a}4<a이므로 f(x)\displaystyle f(x)x=a2+2a4\displaystyle x=\frac{a^2+2a}4일 때 최대가 되고 이때의 최댓값이 직사각형 T\displaystyle T의 넓이M=18a412a3+12a2\displaystyle M=\frac18a^4-\frac12a^3+\frac12a^2이다.

+6점 · 넓이 M\displaystyle M이 최대가 되는 실수 a\displaystyle a의 값을 구한다.

(2) M=M(a)=18a412a3+12a2\displaystyle M=M(a)=\frac18a^4-\frac12a^3+\frac12a^2a\displaystyle a에 대한 도함수M(a)=12a332a2+a=12a(a1)(a2)\displaystyle M^{\prime}(a)=\frac12a^3-\frac32a^2+a=\frac12a(a-1)(a-2)0<a<2\displaystyle 0<a<2일 때 a=1\displaystyle a=1에서 0이므로 M\displaystyle M의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

a=1에서 최댓값 1/8을 갖는 M(a)의 증감표

따라서 a=1\displaystyle a=1일 때 M(1)=18\displaystyle M(1)=\frac18로 최대가 된다.

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