수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

【문제 2】아래의 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (25점)

(가) 두 실수 a,b\displaystyle a,b에 대해서 0≤a<b\displaystyle 0\le a<b라고 하자. 이차함수 y=x2\displaystyle y=x^2의 그래프 위의 두 점 A(a,a2)\displaystyle A(a,a^2)와 B(b,b2)\displaystyle B(b,b^2)에서 그은 두 접선의 교점을 C(c,d)\displaystyle C(c,d)라 하자.

(나) 두 실수 a,b\displaystyle a,b에 대해서 a=−t+t2+16t8\displaystyle a=\frac{-t+\sqrt{t^2+16t}}8, b=−3t+3t2+4t8 (t>0)\displaystyle b=\frac{-3t+3\sqrt{t^2+4t}}8\ (t>0)라고 하자. 이차함수 y=x2\displaystyle y=x^2의 그래프 위의 두 점 A(a,a2)\displaystyle A(a,a^2)와 B(b,b2)\displaystyle B(b,b^2)에 대하여 선분 AB\displaystyle AB를 m:n (m>0,n>0)\displaystyle m:n\ (m>0,n>0)으로 내분하는 점 P\displaystyle P의 좌표를 (f(t),g(t))\displaystyle (f(t),g(t))라고 하자.

(다) 좌표평면 위의 두 점 A(x1,y1)\displaystyle A(x_1,y_1)와 B(x2,y2)\displaystyle B(x_2,y_2)에 대하여 선분 AB\displaystyle AB를 m:n (m>0,n>0)\displaystyle m:n\ (m>0,n>0)으로 내분하는 점의 좌표는 (mx2+nx1m+n,my2+ny1m+n)\displaystyle \left(\frac{mx_2+nx_1}{m+n},\frac{my_2+ny_1}{m+n}\right)이다.

[문제 2-1] 제시문 (가)에서 이차함수 y=x2\displaystyle y=x^2과 두 접선에 의해 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오. (10점)

[문제 2-2] 제시문 (나)에서 주어진 점 P\displaystyle P의 x\displaystyle x좌표 f(t)\displaystyle f(t)에 대해서 lim⁡t→∞f(t)\displaystyle \lim_{t\to\infty}f(t)를 구하고 그 이유를 명확히 설명하시오. (15점)

해설강의 준비중

[문제 2-1]

(풀이) f(x)=x2\displaystyle f(x)=x^2이라고 하면 f′(x)=2x\displaystyle f^{\prime}(x)=2x이다. A(a,a2)\displaystyle A(a,a^2)에서의 접선의 기울기는 f′(a)=2a\displaystyle f^{\prime}(a)=2a이고 B(b,b2)\displaystyle B(b,b^2)에서의 접선의 기울기는 f′(b)=2b\displaystyle f^{\prime}(b)=2b이다. 따라서 점 A(a,a2)\displaystyle A(a,a^2)에서 접선의 방정식은 y=2ax−a2\displaystyle y=2ax-a^2이고 점 B(b,b2)\displaystyle B(b,b^2)에서 접선의 방정식은 y=2bx−b2\displaystyle y=2bx-b^2이다. 두 접선의 교점의 x\displaystyle x좌표는 2ax−a2=2bx−b2\displaystyle 2ax-a^2=2bx-b^2에서 x=a+b2\displaystyle x=\frac{a+b}2이다. 따라서 넓이는

넓이=∫aa+b2[x2−(2ax−a2)] dx+∫a+b2b[x2−(2bx−b2)] dx=∫aa+b2(x−a)2 dx+∫a+b2b(x−b)2 dx=[13(x−a)3]aa+b2+[13(x−b)3]a+b2b=23(b−a2)3=(b−a)312\displaystyle \begin{aligned}\text{넓이}&=\int_a^{\frac{a+b}2}[x^2-(2ax-a^2)]\,dx+\int_{\frac{a+b}2}^b[x^2-(2bx-b^2)]\,dx\\&=\int_a^{\frac{a+b}2}(x-a)^2\,dx+\int_{\frac{a+b}2}^b(x-b)^2\,dx\\&=\Biggl[\frac13(x-a)^3\Biggr]_a^{\frac{a+b}2}+\Biggl[\frac13(x-b)^3\Biggr]_{\frac{a+b}2}^b\\&=\frac23\left(\frac{b-a}2\right)^3=\frac{(b-a)^3}{12}\end{aligned}

(끝)

[문제 2-2]

(풀이) f(t)=mb+nam+n=18(m+n){−3(t−t2+4t)m−(t−t2+16t)n}\displaystyle f(t)=\frac{mb+na}{m+n}=\frac1{8(m+n)}\{-3(t-\sqrt{t^2+4t})m-(t-\sqrt{t^2+16t})n\}이므로

(i)lim⁡t→∞(t−t2+4t)=lim⁡t→∞(t−t2+4t)(t+t2+4t)t+t2+4t=lim⁡t→∞t2−(t2+4t)t+t2+4t=lim⁡t→∞−4tt+t2+4t=lim⁡t→∞−41+1+4/t=−2\displaystyle \begin{aligned}\text{(i)}\quad\lim_{t\to\infty}(t-\sqrt{t^2+4t})&=\lim_{t\to\infty}\frac{(t-\sqrt{t^2+4t})(t+\sqrt{t^2+4t})}{t+\sqrt{t^2+4t}}\\&=\lim_{t\to\infty}\frac{t^2-(t^2+4t)}{t+\sqrt{t^2+4t}}\\&=\lim_{t\to\infty}\frac{-4t}{t+\sqrt{t^2+4t}}=\lim_{t\to\infty}\frac{-4}{1+\sqrt{1+4/t}}=-2\end{aligned}

(ii)lim⁡t→∞(t−t2+16t)=lim⁡t→∞(t−t2+16t)(t+t2+16t)t+t2+16t=lim⁡t→∞t2−(t2+16t)t+t2+16t=lim⁡t→∞−16tt+t2+16t=lim⁡t→∞−161+1+16/t=−8\displaystyle \begin{aligned}\text{(ii)}\quad\lim_{t\to\infty}(t-\sqrt{t^2+16t})&=\lim_{t\to\infty}\frac{(t-\sqrt{t^2+16t})(t+\sqrt{t^2+16t})}{t+\sqrt{t^2+16t}}\\&=\lim_{t\to\infty}\frac{t^2-(t^2+16t)}{t+\sqrt{t^2+16t}}\\&=\lim_{t\to\infty}\frac{-16t}{t+\sqrt{t^2+16t}}=\lim_{t\to\infty}\frac{-16}{1+\sqrt{1+16/t}}=-8\end{aligned}

이다. 따라서lim⁡t→∞f(t)=18(m+n)lim⁡t→∞{(−3)(t−t2+4t)m−(t−t2+16t)n}=18(m+n){lim⁡t→∞{(−3)m(t−t2+4t)}+lim⁡t→∞{−n(t−t2+16t)}}=18(m+n){(−3)m×(−2)+(−n)×(−8)}=3m+4n4(m+n)\displaystyle \begin{aligned}\lim_{t\to\infty}f(t)&=\frac1{8(m+n)}\lim_{t\to\infty}\{(-3)(t-\sqrt{t^2+4t})m-(t-\sqrt{t^2+16t})n\}\\&=\frac1{8(m+n)}\left\{\lim_{t\to\infty}\{(-3)m(t-\sqrt{t^2+4t})\}+\lim_{t\to\infty}\{-n(t-\sqrt{t^2+16t})\}\right\}\\&=\frac1{8(m+n)}\{(-3)m\times(-2)+(-n)\times(-8)\}=\frac{3m+4n}{4(m+n)}\end{aligned}이다. (끝)

[문제 2-1] (10점)(상) 답이 맞고 그 이유를 명확히 제시한 경우(중) 답이 틀렸지만 접선의 방정식과 정적분 식이 맞는 경우(하) 답이 틀렸지만 접선의 방정식만 맞게 구한 경우

[문제 2-2] (15점)(상) 답이 맞고 그 이유를 명확히 제시한 경우(중상) 답이 맞지만 그 이유를 명확히 제시하지 못한 경우(중하) 답이 틀렸지만 f(t)\displaystyle f(t)를 구하고 극한 계산에서 유리화 식이 맞는 경우(하) 답이 틀렸지만 f(t)\displaystyle f(t)만 구한 경우

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