수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 1번

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문제

[문제 1] (85점)

f(x)=x4+2ax3−3a2x2+4a4−4a3+1\displaystyle f ( x ) = x^{4} + 2 a x^{3} - 3 a^{2} x^{2} + 4 a^{4} - 4 a^{3} + 1 (a>0\displaystyle a > 0)이다. 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )가 점 (1,1)\displaystyle ( 1 , 1 )을 지나는 직선과 서로 다른 두 점에서 접할 때, 이 직선과 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하여라.

해설강의 준비중

점 (1,1)\displaystyle ( 1 , 1 )을 지나며 기울기가 m\displaystyle m인 직선의 방정식은 y=m(x−1)+1\displaystyle y = m ( x - 1 ) + 1이다. 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )와 직선 y=m(x−1)+1\displaystyle y = m ( x - 1 ) + 1이 서로 다른 두 점에서 접할 때, 이 두 점의 x\displaystyle x좌표를 각각 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta (단, α<β\displaystyle \alpha < \beta)라 하면,(x−α)2(x−β)2=x4+2ax3−3a2x2+4a4−4a3+1−{m(x−1)+1}\displaystyle ( x - \alpha )^{2} ( x - \beta )^{2} = x^{4} + 2 a x^{3} - 3 a^{2} x^{2} + 4 a^{4} - 4 a^{3} + 1 - \left\{ m ( x - 1 ) + 1 \right\}이다. x3,x2,x\displaystyle x^{3} , x^{2} , x의 계수와 상수항을 비교하면−2(α+β)=2a\displaystyle - 2 ( \alpha + \beta ) = 2 a, α2+4αβ+β2=−3a2\displaystyle \alpha^{2} + 4 \alpha \beta + \beta^{2} = - 3 a^{2}, −2αβ(α+β)=−m\displaystyle - 2 \alpha \beta ( \alpha + \beta ) = - m, α2β2=4a4−4a3+m\displaystyle \alpha^{2} \beta^{2} = 4 a^{4} - 4 a^{3} + m이므로 m=4a3\displaystyle m = 4 a^{3}이고 α=−2a\displaystyle \alpha = - 2 a, β=a\displaystyle \beta = a이다. 직선 y=4a3(x−1)+1\displaystyle y = 4 a^{3} ( x - 1 ) + 1과 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )로 둘러싸인 도형의 넓이는∫−2aa{(x4+2ax3−3a2x2+4a4−4a3+1)−(4a3x−4a3+1)} dx=[15x5+12ax4−a2x3−2a3x2+4a4x]−2aa=8110a5\displaystyle \int_{-2a}^a\{(x^4+2ax^3-3a^2x^2+4a^4-4a^3+1)-(4a^3x-4a^3+1)\}\,dx=\Biggl[\frac15x^5+\frac12ax^4-a^2x^3-2a^3x^2+4a^4x\Biggr]_{-2a}^a=\frac{81}{10}a^5이다.

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