수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중
+12점 · 두 직선이 이루는 예각의 크기 성질을 이용하여 주어진 조건으로부터 곡선에 접하는 두 직선의 교점을 구할 수 있다.

(1) 점 P(a,b)\displaystyle P(a,b)를 지나고, 함수 y=x2\displaystyle y=x^2의 그래프에 접하는 직선이 그래프와 접하는 점을 Q(x,x2)\displaystyle Q(x,x^2)이라고 하자. 이때, 직선의 기울기는 두 가지 방법으로 구할 수 있다.i) P,Q\displaystyle P,Q를 지나는 직선의 기울기 =x2bxa\displaystyle =\frac{x^2-b}{x-a}ii) 점 Q\displaystyle Q에서의 접선의 기울기 =2x\displaystyle =2x위의 두 값은 같아야 하므로 다음 등식이 성립한다.x2bxa=2x  x22ax+b=0\displaystyle \frac{x^2-b}{x-a}=2x\ \Rightarrow\ x^2-2ax+b=0위의 이차방정식의 두 해를 α,β\displaystyle \alpha,\beta라고 하면, 두 접선의 기울기는 2α,2β\displaystyle 2\alpha,2\beta이다. 두 접선과 x\displaystyle x축의 양의 방향이 이루는 각을 θ1,θ2\displaystyle \theta_1,\theta_2라고 하면, θ1θ2=π3\displaystyle |\theta_1-\theta_2|=\frac\pi3이다. 이를 삼각함수로 나타내면 다음과 같다.3=tanπ3=tanθ1θ2=tanθ1tanθ21+tanθ1tanθ2=2α2β1+4αβ\displaystyle \sqrt3=\tan\frac\pi3=\tan|\theta_1-\theta_2|=\left|\frac{\tan\theta_1-\tan\theta_2}{1+\tan\theta_1\tan\theta_2}\right|=\left|\frac{2\alpha-2\beta}{1+4\alpha\beta}\right|이다. 양변을 제곱하여 이차방정식의 근과 계수의 관계를 적용하면4((α+β)24αβ)=3(1+4αβ)2,4(4a24b)=3(1+4b)2\displaystyle 4((\alpha+\beta)^2-4\alpha\beta)=3(1+4\alpha\beta)^2,\quad4(4a^2-4b)=3(1+4b)^2이고, a\displaystyle ab\displaystyle b의 관계는 다음 식으로 정리된다.16a248b240b3=0\displaystyle 16a^2-48b^2-40b-3=0

+18점 · 주어진 조건으로부터 두 직선과 곡선으로 둘러싸인 도형의 넓이를 구할 수 있다.

Correction. 문제 3의 배점은 20점이나 채점기준에는 소문항별 배점이 12점과 18점으로 제시되어 합계가 30점이다. 시험지의 네 문항은 합계 100점으로 구성되어 있어 문제 3의 채점기준 배점에 오기가 있는 것으로 보인다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(2) 점 P(a,b)\displaystyle P(a,b)를 지나고, 함수 y=x2\displaystyle y=x^2의 그래프에 접하는 직선이 그래프와 접하는 점을 구하는 이차방정식 x22ax+b=0\displaystyle x^2-2ax+b=0의 두 근을 α,β\displaystyle \alpha,\beta(α<β\displaystyle \alpha<\beta)라고 하면 두 접선의 방정식은 다음과 같다.y=2α(xa)+b,y=2β(xa)+b\displaystyle y=2\alpha(x-a)+b,\quad y=2\beta(x-a)+b따라서 두 접선과 곡선 y=x2\displaystyle y=x^2으로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle SS=αax22αx+2aαbdx+aβx22βx+2aβbdx=[13x3αx2+(2aαb)x]αa+[13x3βx2+(2aβb)x]aβ=13(β3α3)+(α3β3)+2a(β2α2)+b(αβ)a2(αβ)+2a2(αβ)=23(α3β3)2a(α2β2)+(a2+b)(αβ)\displaystyle \begin{aligned}S&=\int_\alpha^a x^2-2\alpha x+2a\alpha-b\,dx+\int_a^\beta x^2-2\beta x+2a\beta-b\,dx\\&=\Biggl[\frac13x^3-\alpha x^2+(2a\alpha-b)x\Biggr]_\alpha^a+\Biggl[\frac13x^3-\beta x^2+(2a\beta-b)x\Biggr]_a^\beta\\&=\frac13(\beta^3-\alpha^3)+(\alpha^3-\beta^3)+2a(\beta^2-\alpha^2)+b(\alpha-\beta)-a^2(\alpha-\beta)+2a^2(\alpha-\beta)\\&=\frac23(\alpha^3-\beta^3)-2a(\alpha^2-\beta^2)+(a^2+b)(\alpha-\beta)\end{aligned}이고α+β=2a,αβ=b\displaystyle \alpha+\beta=2a,\alpha\beta=b로부터αβ=(α+β)24αβ=2a2b,α2β2=(α+β)(αβ)=4aa2b,α3β3=(αβ)(α2+αβ+β2)=2a2b(4a2b)\displaystyle \begin{aligned}\alpha-\beta&=-\sqrt{(\alpha+\beta)^2-4\alpha\beta}=-2\sqrt{a^2-b},\\\alpha^2-\beta^2&=(\alpha+\beta)(\alpha-\beta)=-4a\sqrt{a^2-b},\\\alpha^3-\beta^3&=(\alpha-\beta)(\alpha^2+\alpha\beta+\beta^2)=-2\sqrt{a^2-b}(4a^2-b)\end{aligned}이므로S=a2b{43(b4a2)+8a22(a2+b)}=23(a2b)32\displaystyle \begin{aligned}S&=\sqrt{a^2-b}\left\{\frac43(b-4a^2)+8a^2-2(a^2+b)\right\}\\&=\frac23(a^2-b)^{\frac32}\end{aligned}이다.문항 (1)에서 구한 a\displaystyle ab\displaystyle b의 관계 16a248b240b3=0\displaystyle 16a^2-48b^2-40b-3=0로부터a2=48b2+40b+316\displaystyle a^2=\frac{48b^2+40b+3}{16}을 이용하면S=23(48b2+40b+316b16)32=3(4b+1)332\displaystyle \begin{aligned}S&=\frac23\left(\frac{48b^2+40b+3-16b}{16}\right)^{\frac32}\\&=-\frac{\sqrt3(4b+1)^3}{32}\end{aligned}이다.

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