수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 아래 문제에 답하시오. (45점)

(문제 3-1) 오른쪽 그림과 함수의 극한의 대소 관계에 대한 성질을 이용하여 lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1임을 보이시오. (20점)

단위원 O와 중심각 x인 부채꼴 AOB

(문제 3-2) 위의 (문제 3-1)을 이용하여 극한 lim⁡x→01−cos⁡xx\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x}를 구하시오. (10점)

(문제 3-3) 도함수의 정의를 이용하여 삼각함수 y=sin⁡x\displaystyle y=\sin x의 도함수를 구하시오. (15점)

해설강의 준비중
+20점 · (상) 우극한과 좌극한을 모두 맞게 구한 경우 (중상)우극한만 맞게 구한 경우 (중하) 방향은 맞지만 계산에 실수가 있는 경우 (하) 제시한 방법이 아닌 다른 방식으로 접근한 엉뚱한 답안

(문제 3-1)우극한과 좌극한을 각각 구한다.

(1) 0<x<π2\displaystyle 0<x<\frac\pi2일 때,오른쪽 그림과 같이 단위원 O에서 중심각 AOB의 크기를 x\displaystyle x라 하고, 점 A에서 원 O에 그은 접선과 선분 OB의 연장선과의 교점을 T라고 하면△AOB\displaystyle \triangle\mathrm{AOB}<(부채꼴AOB의 넓이)<△AOT\displaystyle \triangle\mathrm{AOT}이므로 12sin⁡x<x2<12tan⁡x\displaystyle \frac12\sin x<\frac x2<\frac12\tan x이다.

단위원과 접선으로 만든 삼각형 AOT

이때, sin⁡x>0\displaystyle \sin x>0이므로 위 부등식의 각 변을 12sin⁡x\displaystyle \frac12\sin x로 나누고 정리하면 1<xsin⁡x<1cos⁡x\displaystyle 1<\frac{x}{\sin x}<\frac1{\cos x}이고 이 식에 역수를 취하면 1>sin⁡xx>cos⁡x\displaystyle 1>\frac{\sin x}{x}>\cos x이다.

여기서 lim⁡x→0+cos⁡x=1\displaystyle \lim_{x\to0+}\cos x=1이므로 lim⁡x→0+sin⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0+}\frac{\sin x}{x}=1이다.

(2) −π2<x<0\displaystyle -\frac\pi2<x<0일 때,x=−t\displaystyle x=-t로 놓으면 x→0−\displaystyle x\to0-일 때 t→0+\displaystyle t\to0+이므로lim⁡x→0−sin⁡xx=lim⁡t→0+sin⁡(−t)−t=lim⁡t→0+sin⁡tt=1\displaystyle \lim_{x\to0-}\frac{\sin x}{x}=\lim_{t\to0+}\frac{\sin(-t)}{-t}=\lim_{t\to0+}\frac{\sin t}{t}=1이다.

따라서 (1),(2)에 의하여 lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1임을 알 수 있다.

+10점 · (상) 계산과정과 결과 모두 맞게 답한 경우 (중) 계산과정에 사소한 실수가 있는 경우 (하) 계산과정에 큰 실수가 있는 경우

(문제 3-2)lim⁡x→01−cos⁡xx=lim⁡x→0(1−cos⁡x)(1+cos⁡x)x(1+cos⁡x)=lim⁡x→01−cos⁡2xx(1+cos⁡x)=lim⁡x→0sin⁡2xx(1+cos⁡x)=lim⁡x→0(sin⁡xx⋅sin⁡x1+cos⁡x)=1⋅02=0\displaystyle \begin{aligned}\lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x}&=\lim_{x\to0}\frac{(1-\cos x)(1+\cos x)}{x(1+\cos x)}\\&=\lim_{x\to0}\frac{1-\cos^2 x}{x(1+\cos x)}\\&=\lim_{x\to0}\frac{\sin^2 x}{x(1+\cos x)}\\&=\lim_{x\to0}\left(\frac{\sin x}{x}\cdot\frac{\sin x}{1+\cos x}\right)\\&=1\cdot\frac02=0\end{aligned}

+15점 · (상) 계산과정과 결과 모두 맞게 답한 경우 (중) 계산과정에 사소한 실수가 있는 경우 (하) 계산과정에 큰 실수가 있는 경우

(문제 3-3)y′=lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡xh=lim⁡h→0sin⁡xcos⁡h+cos⁡xsin⁡h−sin⁡xh=lim⁡h→0cos⁡xsin⁡h−sin⁡x(1−cos⁡h)h=cos⁡xlim⁡h→0sin⁡hh−sin⁡xlim⁡h→01−cos⁡hh=cos⁡x(1)−sin⁡x(0)(문제 3-1, 3-2에 의해)=cos⁡x\displaystyle \begin{aligned}y^{\prime}&=\lim_{h\to0}\frac{\sin(x+h)-\sin x}{h}\\&=\lim_{h\to0}\frac{\sin x\cos h+\cos x\sin h-\sin x}{h}\\&=\lim_{h\to0}\frac{\cos x\sin h-\sin x(1-\cos h)}{h}\\&=\cos x\lim_{h\to0}\frac{\sin h}{h}-\sin x\lim_{h\to0}\frac{1-\cos h}{h}\\&=\cos x(1)-\sin x(0)\quad\text{(문제 3-1, 3-2에 의해)}\\&=\cos x\end{aligned}

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