수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오전) 2번

문제

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해설강의 준비중

1(1) Pk(α,α2)\displaystyle P_k(\alpha,\alpha^2), Qk(β,β2)\displaystyle Q_k(\beta,\beta^2)라 놓으면((α<0<β\displaystyle \alpha<0<\beta) α,β\displaystyle \alpha,\beta는 방정식 x2kx1=0\displaystyle x^2-kx-1=0의 두 근이다.그러므로 근과 계수의 관계에 의해α+β=k, αβ=1\displaystyle \alpha+\beta=k,\ \alpha\beta=-1Pk\displaystyle P_k점의 접선 yα2=2α(xα)y=2αxα2\displaystyle y-\alpha^2=2\alpha(x-\alpha)\quad\Rightarrow y=2\alpha x-\alpha^2Qk\displaystyle Q_k점의 접선 yβ2=2β(xβ)y=2βxβ2\displaystyle y-\beta^2=2\beta(x-\beta)\quad\Rightarrow y=2\beta x-\beta^2두 접선의 교점 좌표 구하기x\displaystyle x좌표2αxα2=2βxβ22(αβ)x=α2β2\displaystyle \Rightarrow2\alpha x-\alpha^2=2\beta x-\beta^2\Rightarrow2(\alpha-\beta)x=\alpha^2-\beta^2그러므로 x=α+β2=k2\displaystyle x=\frac{\alpha+\beta}{2}=\frac k2y\displaystyle y좌표y=2αxα2\displaystyle \Rightarrow y=2\alpha x-\alpha^2x=α+β2\displaystyle x=\frac{\alpha+\beta}{2}대입하면y=2α(α+β)2α2=αβ=1\displaystyle y=2\alpha\frac{(\alpha+\beta)}2-\alpha^2=\alpha\beta=-1이다.그러므로 교점 좌표는 Rk\displaystyle R_k(k2,1)\displaystyle \left(\frac k2,-1\right)이므로

(2) 교점Rk\displaystyle R_kk\displaystyle k값과 상관없이 직선 y=1\displaystyle y=-1위에 있게 되어 교점 좌표Rk\displaystyle R_k는 직선 y=1\displaystyle y=-1 그래프 위에 있다.

교점 Rk가 그리는 직선 y=-1

2세 점 Pk(α,α2)\displaystyle P_k(\alpha,\alpha^2), Qk(β,β2)\displaystyle Q_k(\beta,\beta^2), Rk(k2,1)\displaystyle R_k\left(\frac k2,-1\right)이므로 삼각형PkQkRk\displaystyle P_kQ_kR_k무게중심 좌표=(α+β+k23,α2+β2+(1)3)=(k+k23,(α+β)22αβ+(1)3)=(3k6,k2+13)=(k2,k2+13)\displaystyle \begin{aligned}&=\left(\frac{\alpha+\beta+\frac k2}3,\frac{\alpha^2+\beta^2+(-1)}3\right)\\&=\left(\frac{k+\frac k2}3,\frac{(\alpha+\beta)^2-2\alpha\beta+(-1)}3\right)\\&=\left(\frac{3k}6,\frac{k^2+1}3\right)\\&=\left(\frac k2,\frac{k^2+1}3\right)\end{aligned}그러므로 k=2x\displaystyle k=2x로부터 무게 중심이 놓인 함수는y=43x2+13\displaystyle y=\frac43x^2+\frac13이다.그러므로 a=43\displaystyle a=\frac43, b=0\displaystyle b=0, c=13\displaystyle c=\frac13이다.

3y=43x2+13\displaystyle y=\frac43x^2+\frac13y=kx+1\displaystyle y=kx+1의 두 교점의 x\displaystyle x좌표를 a<0<b\displaystyle a<0<b라 하자.두 함수를 연립하여 얻는 이차방정식 4x23kx2=0\displaystyle 4x^2-3kx-2=0의 근과 계수 관계에 의해 a+b=3k4\displaystyle a+b=\frac{3k}4, ab=12\displaystyle ab=-\frac12이다.AkBk=(ba)2+(b2a2)2=(ba)2(1+(b+a)2)=(ba)(1+(b+a)2)\displaystyle \begin{aligned}\overline{A_kB_k}&=\sqrt{(b-a)^2+(b^2-a^2)^2}\\&=\sqrt{(b-a)^2(1+(b+a)^2)}\\&=(b-a)\sqrt{(1+(b+a)^2)}\end{aligned}Correction. (3)의 AkBk\displaystyle \overline{A_kB_k} 계산에서 (b2a2)2\displaystyle (b^2-a^2)^2에는 계수 169\displaystyle \frac{16}{9}가 빠져 있다. 이어지는 1+(b+a)2\displaystyle 1+(b+a)^21+169(b+a)2\displaystyle 1+\frac{16}{9}(b+a)^2로 써야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.ba=(a+b)24ab=(3k4)24(12)\displaystyle \Leftarrow b-a=\sqrt{(a+b)^2-4ab}=\sqrt{\left(\frac{3k}4\right)^2-4\left(-\frac12\right)}=(3k4)24(12)1+k2=9k216+21+k2\displaystyle \begin{aligned}&=\sqrt{\left(\frac{3k}4\right)^2-4\left(-\frac12\right)}\sqrt{1+k^2}\\&=\sqrt{\frac{9k^2}{16}+2}\sqrt{1+k^2}\end{aligned}PkQk=(βα)2+(β2α2)2=(βα)2(1+(β+α)2)=((β+α)24αβ)2(1+(β+α)2)=(k2+4)(k2+1)\displaystyle \begin{aligned}\overline{P_kQ_k}&=\sqrt{(\beta-\alpha)^2+(\beta^2-\alpha^2)^2}=\sqrt{(\beta-\alpha)^2(1+(\beta+\alpha)^2)}\\&=\sqrt{((\beta+\alpha)^2-4\alpha\beta)^2(1+(\beta+\alpha)^2)}\\&=\sqrt{(k^2+4)(k^2+1)}\end{aligned}Correction. (3)의 PkQk\displaystyle \overline{P_kQ_k} 계산에서 ((β+α)24αβ)2\displaystyle ((\beta+\alpha)^2-4\alpha\beta)^2의 바깥 제곱은 없어야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.그러므로 limkAkBkPkQk=limk9k216+21+k2k2+41+k2=34\displaystyle \lim_{k\to\infty}\frac{\overline{A_kB_k}}{\overline{P_kQ_k}}=\lim_{k\to\infty}\frac{\sqrt{\frac{9k^2}{16}+2}\sqrt{1+k^2}}{\sqrt{k^2+4}\sqrt{1+k^2}}=\frac34이다.

43번 답안에서 PkQk=(k2+4)(k2+1)\displaystyle \overline{P_kQ_k}=\sqrt{(k^2+4)(k^2+1)}이고직선 kxy+1=0\displaystyle kx-y+1=0과 점 (k2,1)\displaystyle \left(\frac k2,-1\right)사이 거리 공식에 의해밑변PkQk\displaystyle P_kQ_k와 점 Rk\displaystyle R_k사이 거리=k(k2)+1+1k2+1=k2+22k2+1\displaystyle =\frac{\left|k\left(\frac k2\right)+1+1\right|}{\sqrt{k^2+1}}=\frac{k^2+2}{2\sqrt{k^2+1}}Correction. (4)의 거리식과 넓이식에서 k2+2\displaystyle k^2+2k2+4\displaystyle k^2+4의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.삼각형PkQkRk\displaystyle P_kQ_kR_k 넓이=12PkQk×\displaystyle =\frac12\overline{P_kQ_k}\times(밑변PkQk\displaystyle P_kQ_k와 점 Rk\displaystyle R_k사이 거리)=12(k2+4)(k2+1)k2+22k2+1=14k2+4(k2+2)=g(k)\displaystyle \begin{aligned}&=\frac12\sqrt{(k^2+4)(k^2+1)}\frac{k^2+2}{2\sqrt{k^2+1}}\\&=\frac14\sqrt{k^2+4}(k^2+2)=g(k)\end{aligned}극한값 limkg(k)k3=limk(k2+2)k2+44k3=14\displaystyle \lim_{k\to\infty}\frac{g(k)}{k^3}=\lim_{k\to\infty}\frac{(k^2+2)\sqrt{k^2+4}}{4k^3}=\frac14이다.

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