수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1]

원점을 출발하여 수직선 위를 움직이는 점 P 의 시각 t(0<t≤2)\displaystyle t ( 0 < t \leq 2 )에서의 속도 v(t)\displaystyle v ( t )가v(t)=t−1a2+b2−2ab(t−1)\displaystyle v(t)=\frac{t-1}{\sqrt{a^2+b^2-2ab(t-1)}}이다. t=2\displaystyle t = 2일 때, P\displaystyle \mathrm{P}의 위치를 구하여라. (단, a\displaystyle a와 b\displaystyle b는 상수이고 0<a<b\displaystyle 0 < a < b이다.) [100점]

해설강의 준비중
+20점

점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표 x\displaystyle x를 시각 t\displaystyle t의 함수 f(t)\displaystyle f ( t )로 나타내면 t=2\displaystyle t = 2일 때 P\displaystyle \mathrm{P}의 위치는 f(2)\displaystyle f ( 2 )이다.

따라서 f(2)=∫02v(t)dt=∫02t−1a2+b2−2ab(t−1)dt\displaystyle f ( 2 ) = \int_{0}^{2} {v ( t ) d t} = \int_{0}^{2} {\frac{{t - 1}}{\sqrt{a^{2} + b^{2} - 2 a b ( t - 1 )}}} d t이다.

+20점

u=a2+b2−2ab(t−1)\displaystyle u = \sqrt{a^{2} + b^{2} - 2 a b ( t - 1 )}로 놓으면 t−1=a2+b2−u22ab\displaystyle t - 1 = \frac{{a^{2} + b^{2} - u^{2}}}{2 a b}에서dtdu=−uab,t−1a2+b2−2ab(t−1)=a2+b2−u22abu=a2+b22ab⋅1u−u2ab\displaystyle \frac{dt}{du}=-\frac u{ab},\quad\frac{t-1}{\sqrt{a^2+b^2-2ab(t-1)}}=\frac{a^2+b^2-u^2}{2abu}=\frac{a^2+b^2}{2ab}\cdot\frac1u-\frac u{2ab}

+40점

이므로∫t−1a2+b2−2ab(t−1) dt=a2+b22ab∫1u⋅(−uab)du−12ab∫u⋅(−uab)du=−(a2+b2)u2a2b2+u36a2b2+C=−(a2+b2)a2+b2−2ab(t−1)2a2b2+{a2+b2−2ab(t−1)}a2+b2−2ab(t−1)6a2b2+C\displaystyle \begin{aligned}\int\frac{t-1}{\sqrt{a^2+b^2-2ab(t-1)}}\,dt&=\frac{a^2+b^2}{2ab}\int\frac1u\cdot\left(-\frac u{ab}\right)du-\frac1{2ab}\int u\cdot\left(-\frac u{ab}\right)du\\&=-\frac{(a^2+b^2)u}{2a^2b^2}+\frac{u^3}{6a^2b^2}+C\\&=-\frac{(a^2+b^2)\sqrt{a^2+b^2-2ab(t-1)}}{2a^2b^2}\\&\quad+\frac{\{a^2+b^2-2ab(t-1)\}\sqrt{a^2+b^2-2ab(t-1)}}{6a^2b^2}+C\end{aligned}이다.

+20점

따라서f(2)=∫02v(t) dt=[−(a2+b2)a2+b2−2ab(t−1)2a2b2+{a2+b2−2ab(t−1)}a2+b2−2ab(t−1)6a2b2]02=(a2+b2)(−∣b−a∣+∣a+b∣)2a2b2+∣(b−a)3∣−∣(a+b)3∣6a2b2=(a2+b2)(−(b−a)+(a+b))2a2b2+(b−a)3−(a+b)36a2b2(∵0<a<b)=2a3b2\displaystyle \begin{aligned}f(2)=\int_0^2v(t)\,dt&=\Biggl[-\frac{(a^2+b^2)\sqrt{a^2+b^2-2ab(t-1)}}{2a^2b^2}+\frac{\{a^2+b^2-2ab(t-1)\}\sqrt{a^2+b^2-2ab(t-1)}}{6a^2b^2}\Biggr]_0^2\\&=\frac{(a^2+b^2)(-|b-a|+|a+b|)}{2a^2b^2}+\frac{|(b-a)^3|-|(a+b)^3|}{6a^2b^2}\\&=\frac{(a^2+b^2)(-(b-a)+(a+b))}{2a^2b^2}+\frac{(b-a)^3-(a+b)^3}{6a^2b^2}\quad(\because0<a<b)\\&=\frac{2a}{3b^2}\end{aligned}

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