수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

중심이 O(0,r)\displaystyle \mathrm{O}(0,r)이고 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원 C:x2+(y−r)2=r2\displaystyle C:x^2+(y-r)^2=r^2와 실수 전체의 집합에서 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 만족시킨다. (단, r>0\displaystyle r>0이다.)

(가) f(0)=0\displaystyle f(0)=0(나) f′(0)=1\displaystyle f^{\prime}(0)=1(다) f(r)<r\displaystyle f(r)<r

다음 물음에 답하시오. [총 25점]

(1) 원 C\displaystyle C와 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 0<x<r\displaystyle 0<x<r에서 적어도 하나의 교점을 가짐을 보이시오. [10점]

(2) 소문항 (1)에서 구한 교점 중 하나를 P라 하고 점 P의 x\displaystyle x좌표를 t\displaystyle t라 할 때, 원 C\displaystyle C의 반지름의 길이를 t\displaystyle t와 f(t)\displaystyle f(t)에 관한 식으로 나타낸 함수 r(t)\displaystyle r(t)를 구하시오. [7점]

(3) 소문항 (2)에서 구한 함수 r(t)\displaystyle r(t)에 대하여, lim⁡t→0+r(t)t\displaystyle \lim_{t\to0+}\frac{r(t)}t의 값을 구하시오. [8점]

해설강의 준비중
+7점 · (1) ① g(x)=r−r2−x2\displaystyle g(x)=r-\sqrt{r^2-x^2} ② h(r)<0\displaystyle h(r)<0 ③ 모순 ④ h(c)>0\displaystyle h(c)>0 ⑤ 연속 ⑥ 사잇값의 정리

Correction. (1)의 배점은 문제에 10점, 채점표에 7점으로 서로 다르게 적혀 있다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(1) 도형 x2+(y−r)2=r2\displaystyle x^2+(y-r)^2=r^2 위의 점 중 y≤r\displaystyle y\le r인 부분을 나타내는 함수를 g(x)=r−r2−x2\displaystyle g(x)=r-\sqrt{r^2-x^2}라 하자. 함수 h(x)=f(x)−g(x)\displaystyle h(x)=f(x)-g(x)에 대하여, 조건 (다)에 의해 h(r)=f(r)−g(r)<r−r=0\displaystyle h(r)=f(r)-g(r)<r-r=0을 만족한다. 만약 0<c<r\displaystyle 0<c<r인 모든 실수 c\displaystyle c에 대하여 h(c)≤0\displaystyle h(c)\le0라면, h(0)=f(0)−g(0)=0\displaystyle h(0)=f(0)-g(0)=0이므로 h′(0)=lim⁡t→0+h(t)−h(0)t=lim⁡t→0+h(t)t≤0\displaystyle h^{\prime}(0)=\lim_{t\to0+}\frac{h(t)-h(0)}t=\lim_{t\to0+}\frac{h(t)}t\le0이다. 그런데 h′(0)=f′(0)−g′(0)=1>0\displaystyle h^{\prime}(0)=f^{\prime}(0)-g^{\prime}(0)=1>0이므로 모순이다. 따라서, h(c)>0\displaystyle h(c)>0인 실수 c\displaystyle c가 열린구간 (0,r)\displaystyle (0,r)에 적어도 하나 존재한다. 함수 h(x)\displaystyle h(x)는 닫힌구간 [c,r]\displaystyle [c,r]에서 연속이므로, (사잇값의 정리에 의해) h(x)=0\displaystyle h(x)=0인 x\displaystyle x가 열린구간 (c,r)\displaystyle (c,r)에서 적어도 하나 존재한다. 따라서 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 열린구간 (c,r)\displaystyle (c,r)에서 적어도 하나의 실근을 가지므로 원 C\displaystyle C와 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 0<x<r\displaystyle 0<x<r에서 적어도 하나의 교점을 가진다.

+7점 · (2) ① 점 P의 좌표 ② 원 C\displaystyle C 위의 점 ③ 식 정리 ④ f(t)>0\displaystyle f(t)>0 ⑤ r(t)\displaystyle r(t)

(2) 점 P의 좌표를 (t,f(t))\displaystyle (t,f(t))라 하자. 점 P는 원 C\displaystyle C 위의 점이므로 t2+{r(t)−f(t)}2={r(t)}2\displaystyle t^2+\{r(t)-f(t)\}^2=\{r(t)\}^2을 만족한다. 따라서 t2−2r(t)f(t)+{f(t)}2=0\displaystyle t^2-2r(t)f(t)+\{f(t)\}^2=0이다. 이때, t\displaystyle t가 0이 아니므로, f(t)>0\displaystyle f(t)>0이다. 따라서 r(t)=t2+{f(t)}22f(t)\displaystyle r(t)=\frac{t^2+\{f(t)\}^2}{2f(t)}이다.

+8점 · (3) ① r(t)\displaystyle r(t) ② 식 정리 ③ 극한의 계산

(3) 소문항 (2)에 의하여, r(t)=t2+{f(t)}22f(t)\displaystyle r(t)=\frac{t^2+\{f(t)\}^2}{2f(t)}이다. 이 식을 정리하면 r(t)=t2×1+{f(t)t}2f(t)t\displaystyle r(t)=\frac t2\times\frac{1+\left\{\frac{f(t)}t\right\}^2}{\frac{f(t)}t}가 된다.따라서 lim⁡t→0+r(t)t=12×lim⁡t→0+1+{f(t)t}2f(t)t\displaystyle \lim_{t\to0+}\frac{r(t)}t=\frac12\times\lim_{t\to0+}\frac{1+\left\{\frac{f(t)}t\right\}^2}{\frac{f(t)}t}을 계산하면 된다. lim⁡t→0+f(t)t=f′(0)\displaystyle \lim_{t\to0+}\frac{f(t)}t=f^{\prime}(0)이므로lim⁡t→0+[1+{f(t)t}2]=1+{f′(0)}2\displaystyle \lim_{t\to0+}\left[1+\left\{\frac{f(t)}t\right\}^2\right]=1+\{f^{\prime}(0)\}^2이다. 따라서 lim⁡t→0+r(t)t=12×lim⁡t→0+[1+{f(t)t}2]lim⁡t→0+f(t)t\displaystyle \lim_{t\to0+}\frac{r(t)}t=\frac12\times\frac{\lim_{t\to0+}\left[1+\left\{\frac{f(t)}t\right\}^2\right]}{\lim_{t\to0+}\frac{f(t)}t}가 되므로lim⁡t→0+r(t)t=12×1+{f′(0)}2f′(0)=1\displaystyle \lim_{t\to0+}\frac{r(t)}t=\frac12\times\frac{1+\{f^{\prime}(0)\}^2}{f^{\prime}(0)}=1이다.

하위 문항등급채점 기준
(1)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(1)2등급⑥단계까지 서술하였으나 ③단계, ⑤단계 중 하나를 생략한 경우
(1)3등급⑥단계까지 서술하였으나 ③단계, ⑤단계를 모두 생략한 경우
(1)4등급①단계까지 옳게 서술하고 대략적인 설명이 맞은 경우
(1)5등급대략적인 설명이 맞으나 함수를 전혀 이용하지 않은 경우
(1)6등급답을 구하는 과정이 없거나 문제 푸는 방향이 틀려 답을 구하지 못한 경우
(1)7등급백지 답안
(2)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(2)2등급④단계를 생략하고 ⑤단계까지 서술한 경우 혹은 ④단계까지 옳게 서술한 경우
(2)3등급③단계까지 옳게 서술한 경우
(2)4등급②단계까지 옳게 서술한 경우
(2)5등급①단계를 옳게 서술한 경우
(2)6등급답을 구하는 과정이 없거나 문제 푸는 방향이 틀려 답을 구하지 못한 경우
(2)7등급백지 답안
(3)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(3)2등급①단계까지 서술했으나 ③단계를 생략한 경우 혹은 ③단계까지 옳게 서술한 경우
(3)3등급②단계까지 옳게 서술한 경우
(3)4등급①단계까지 옳게 서술한 경우
(3)5등급답을 구했으나 과정이 잘못된 경우
(3)6등급답을 구하는 과정이 없거나 문제 푸는 방향이 틀려 답을 구하지 못한 경우
(3)7등급백지 답안

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