수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

(a) (총 30점)

+10점

P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표를 (p,0)\displaystyle ( p , 0 )이라 놓고 그 때의 점 Q\displaystyle \mathrm{Q} 의 좌표를 (s,es+13)\displaystyle \left( s , e^{s} + \frac{{1}}{3} \right)이라 두자. 곡선 y=ex+13\displaystyle y = e^{x} + \frac{{1}}{3}의 점 X(x,ex+13)\displaystyle \mathrm{X} ( x , e^{x} + \frac{{1}}{3} )에 대하여 L(x)=PX2\displaystyle L ( x ) = {\overline{PX}}^{2} 라 하면L(x)=(xp)2+(ex+13)2,L(x)=2(xp)+2ex(ex+13)\displaystyle \begin{aligned}L ( x ) &= ( x - p )^{2} + ( e^{x} + \frac{{1}}{3} )^{2} , \\ L^{\prime} ( x ) &= 2 ( x - p ) + 2 e^{x} ( e^{x} + \frac{{1}}{3} )\end{aligned}이다. 그런데 선분 PX\displaystyle {\overline{PX}}는 점 X\displaystyle \mathrm{X}가 점 Q\displaystyle \mathrm{Q} 일 때 최소 (극소) 이므로L(s)=2(sp)+2es(es+13)=0\displaystyle L^{\prime} ( s ) = 2 ( s - p ) + 2 e^{s} ( e^{s} + \frac{{1}}{3} ) = 0이다. 즉,p=s+es(es+13)\displaystyle p = s + e^{s} ( e^{s} + \frac{{1}}{3} )이다. 따라서 점 P\displaystyle \mathrm{P} 의 좌표는 (s+es(es+13),0)\displaystyle \left( s + e^{s} \left( e^{s} + \frac{{1}}{3} \right) , 0 \right)이다.

+10점

R\displaystyle \mathrm{R}은 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ} 를 2:1 로 내분하는 점이므로 점 R\displaystyle \mathrm{R}의 좌표는(es(es+13)+s+2s3,2es+233)\displaystyle \left( \frac{{e^{s} ( e^{s} + \frac{{1}}{3} ) + s + 2 s}}{3} , \frac{{2 e^{s} + \frac{{2}}{3}}}{3} \right)이다. 따라서

+10점

x=es(es+13)+3s3,y=2es+233\displaystyle x = \frac{{e^{s} \left( e^{s} + \frac{{1}}{3} \right) + 3 s}}{3} , y = \frac{{2 e^{s} + \frac{{2}}{3}}}{3}라 하면 y=2es+233\displaystyle y = \frac{{2 e^{s} + \frac{{2}}{3}}}{3}에서 y>29,3y2=es+13,es=9y26,s=ln(9y26)\displaystyle y > \frac{{2}}{9} , \frac{{3 y}}{2} = e^{s} + \frac{{1}}{3} , e^{s} = \frac{{9 y - 2}}{6} , s = \ln \left( \frac{{9 y - 2}}{6} \right) 이므로x=9y263y23+ln(9y26)=y12(9y2)+ln(9y26)\displaystyle x=\frac{\frac{9y-2}6\cdot\frac{3y}2}3+\ln\left(\frac{9y-2}6\right)=\frac y{12}(9y-2)+\ln\left(\frac{9y-2}6\right)이다. 따라서 점 R\displaystyle \mathrm{R}이 만족시키는 곡선의 방정식은 다음과 같다.x=y12(9y2)+ln(9y26)\displaystyle x = \frac{{y}}{12} ( 9 y - 2 ) + \ln \left( \frac{{9 y - 2}}{6} \right) (단, y>29\displaystyle y > \frac{{2}}{9})

(b) (총 30점)

+15점

곡선 y=ex+13\displaystyle y = e^{x} + \frac{{1}}{3} 위의 점 Q(s,es+13)\displaystyle \mathrm{Q} \left( s , e^{s} + \frac{{1}}{3} \right) 에서의 접선의 방정식은y=es(xs)+es+13\displaystyle y = e^{s} ( x - s ) + e^{s} + \frac{{1}}{3}이다. 그런데 점 S\displaystyle \mathrm{S}는 위의 접선의 x\displaystyle x절편이므로 점 S\displaystyle \mathrm{S}의 좌표는(s113es,0)\displaystyle \left( s - 1 - \frac{{1}}{3 e^{s}} , 0 \right)이다. 따라서 선분 PS\displaystyle {\overline{PS}}의 길이를 (s)\displaystyle \ell ( s )라 하면 다음과 같다.(s)=(es+13)(es+es)\displaystyle \ell ( s ) = \left( e^{s} + \frac{{1}}{3} \right) \left( e^{s} + e^{- s} \right)

+15점

이때(s)=13es(2es1)(3e2s+2es+1)\displaystyle \ell^{\prime}(s)=\frac13e^{-s}(2e^s-1)(3e^{2s}+2e^s+1)이고es>0,3e2s+2es+1>0\displaystyle e^{- s} > 0 , 3 e^{2 s} + 2 e^{s} + 1 > 0이므로 (s)=0\displaystyle \ell^{\prime} ( s ) = 0의 해는 s=ln12\displaystyle s = \ln \frac{{1}}{2}이고, s=ln12\displaystyle s = \ln \frac{{1}}{2} 근방에서 (s)\displaystyle \ell^{\prime} ( s )의 부호는 음 (-)에서 양(+)으로 바뀌므로 (s)\displaystyle \ell ( s )s=ln12\displaystyle s = \ln \frac{{1}}{2}에서 극솟값을 갖고 극소가 되는 점이 1개 밖에 없으므로 극솟값이 최솟값이 된다. 즉 (s)\displaystyle \ell ( s )의 최솟값은 (ln12)=2512\displaystyle \ell \left( \ln \frac{{1}}{2} \right) = \frac{{25}}{12}이다.

(c) (총 40점)

+15점

Q\displaystyle \mathrm{Q}y\displaystyle y축 위에 있을 때 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표는 (0,43)\displaystyle \left( 0 , \frac{{4}}{3} \right)이고 그때의 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표는 (43,0)\displaystyle \left( \frac{{4}}{3} , 0 \right)이다. 그러므로 t0\displaystyle t_{0}는 방정식18t3+11t3=43\displaystyle 18 t^{3} + 11 t - 3 = \frac{{4}}{3} 즉 , (3t1)(6t2+2t+133)=0\displaystyle ( 3 t - 1 ) \left( 6 t^{2} + 2 t + \frac{{13}}{3} \right) = 0의 실근이다. 그런데 6t2+2t+133>0\displaystyle 6 t^{2} + 2 t + \frac{{13}}{3} > 0이므로 위의 방정식은 하나의 실근t0=13\displaystyle t_{0} = \frac{{1}}{3}을 갖는다.

+15점

P\displaystyle \mathrm{P}t\displaystyle ts\displaystyle s로 표현되므로 t\displaystyle ts\displaystyle s는 다음의 관계식을 만족시킨다.18t3+11t3=es(es+13)+s\displaystyle 18 t^{3} + 11 t - 3 = e^{s} \left( e^{s} + \frac{{1}}{3} \right) + s따라서 음함수의 미분법을 이용해서 s\displaystyle st\displaystyle t에 대해서 미분하면54t2+11=(2e2s+13es+1)dsdt\displaystyle 54 t^{2} + 11 = \left( 2 e^{2 s} + \frac{{1}}{3} e^{s} + 1 \right) \frac{{d s}}{d t}이므로 s=0,t=13\displaystyle s = 0 , t = \frac{{1}}{3}일 때dsdt=5110\displaystyle \frac{{d s}}{d t} = \frac{{51}}{10}이다.

+10점

그런데 (b) 번에서 점 S\displaystyle \mathrm{S}의 좌표가 (s113es,0)\displaystyle \left( s - 1 - \frac{{1}}{3 e^{s}} , 0 \right)이므로, 합성함수의 미분법을 이용하여 x=s113es\displaystyle x = s - 1 - \frac{{1}}{3 e^{s}}t\displaystyle t로 미분하면dxdt=dxdsdsdt=(1+13es)dsdt\displaystyle \frac{{d x}}{d t} = \frac{{d x}}{d s} \frac{{d s}}{d t} = \left( 1 + \frac{{1}}{3 e^{s}} \right) \frac{{d s}}{d t}이다. 따라서 s=0,t=13\displaystyle s = 0 , t = \frac{{1}}{3}일 때 점 S\displaystyle \mathrm{S}의 속도는 dxdt=345\displaystyle \frac{{d x}}{d t} = \frac{{34}}{5}이다.

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