수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

【문제 4】 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (25점)

미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)에서 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0이고, x=a\displaystyle x=a의 좌우에서(i) f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 양(+)에서 음(-)으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극대이다.(ii) f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)의 부호가 음(-)에서 양(+)으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f(x)는 x=a\displaystyle x=a에서 극소이다.[출처 : 수학II 「도함수의 활용」]

다음 조건을 모두 만족시키는 컵의 겉넓이의 최솟값을 구하시오. (단, 컵의 두께는 무시한다.)

1) 컵은 뚜껑이 없는 원기둥 모양이다.2) 부피 54π\displaystyle 54\pi의 물을 넣었을 때, 컵의 높이와 수면의 높이의 차이가 3\displaystyle 3보다 크거나 같아야 한다.(단, 수면은 컵의 밑면과 평행하다고 가정한다.)

해설강의 준비중
+25점 · 부피의 조건으로부터 컵의 겉넓이의 식을 구하고 이를 미분하여 최솟값을 구할 수 있다.

컵의 높이를 h\displaystyle h, 반지름을 r\displaystyle r라고 하자.주어진 조건을 만족시키면서 컵의 겉넓이가 최소가 되기 위해서는, 물을 54π\displaystyle 54\pi만큼 넣었을 때 컵의 높이와 수면의 높이의 차이가 정확히 3\displaystyle 3이어야 한다. 따라서 다음 식이 성립한다.πr2(h−3)=54π\displaystyle \pi r^2(h-3)=54\pi이때 h=3+54r2\displaystyle h=3+\frac{54}{r^2}이고, 문제의 조건으로부터 컵의 겉넓이 A\displaystyle A는 다음과 같이 주어진다.A(r)=πr2+2πrh=πr2+2πr(3+54r2)(r>0)\displaystyle A(r)=\pi r^2+2\pi rh=\pi r^2+2\pi r\left(3+\frac{54}{r^2}\right)\quad(r>0)A′(r)=2πr+6π−108πr2=2π(r3+3r2−54)r2=2π(r−3)(r2+6r+18)r2\displaystyle A^{\prime}(r)=2\pi r+6\pi-\frac{108\pi}{r^2}=\frac{2\pi(r^3+3r^2-54)}{r^2}=\frac{2\pi(r-3)(r^2+6r+18)}{r^2}로부터 A′(3)=0\displaystyle A^{\prime}(3)=0이고, 함수 A(r)\displaystyle A(r)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

rr0⋯3⋯
A′(r)A^{\prime}(r) −0+
A(r)A(r) ↘63π63\pi↗

그러므로 r=3\displaystyle r=3일 때 겉넓이가 최소가 되며 이때 컵의 겉넓이는 A(3)=63π\displaystyle A(3)=63\pi이다.

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