[문제 1-1] (답) k = 1 2 n ln ( 5 + 3 2 ) \displaystyle k=\frac1{2n}\ln(5+3\sqrt2) k = 2 n 1 ln ( 5 + 3 2 )
(풀이) f ( x ) = e n x + e − n x \displaystyle f(x)=e^{nx}+e^{-nx} f ( x ) = e n x + e − n x 라고 하면 f ′ ( x ) = n ( e n x − e − n x ) \displaystyle f^{\prime}(x)=n(e^{nx}-e^{-nx}) f ′ ( x ) = n ( e n x − e − n x ) 이므로 e n x − e − n x = 2 \displaystyle e^{nx}-e^{-nx}=2 e n x − e − n x = 2 이고 e 2 n x − 2 e n x − 1 = 0 \displaystyle e^{2nx}-2e^{nx}-1=0 e 2 n x − 2 e n x − 1 = 0 이다. e n x = X ( X > 0 ) \displaystyle e^{nx}=X\ (X>0) e n x = X ( X > 0 ) 로 놓으면 X 2 − 2 X − 1 = 0 \displaystyle X^2-2X-1=0 X 2 − 2 X − 1 = 0 이고 X = 1 ± 2 \displaystyle X=1\pm\sqrt2 X = 1 ± 2 이다. 그런데 X > 0 \displaystyle X>0 X > 0 이므로 e n x = 1 + 2 \displaystyle e^{nx}=1+\sqrt2 e n x = 1 + 2 이므로 a n = 1 n ln ( 1 + 2 ) \displaystyle a_n=\frac1n\ln(1+\sqrt2) a n = n 1 ln ( 1 + 2 ) 이다. 또 lim n → 0 ( 1 a n + 1 ) 1 n = lim a n → ∞ ( 1 a n + 1 ) a n ln ( 1 + 2 ) = lim a n → ∞ { ( 1 a n + 1 ) a n } 1 ln ( 1 + 2 ) = e 1 ln ( 1 + 2 ) \displaystyle \lim_{n\to0}\left(\frac1{a_n}+1\right)^{\frac1n}=\lim_{a_n\to\infty}\left(\frac1{a_n}+1\right)^{\frac{a_n}{\ln(1+\sqrt2)}}=\lim_{a_n\to\infty}\left\{\left(\frac1{a_n}+1\right)^{a_n}\right\}^{\frac1{\ln(1+\sqrt2)}}=e^{\frac1{\ln(1+\sqrt2)}} n → 0 lim ( a n 1 + 1 ) n 1 = a n → ∞ lim ( a n 1 + 1 ) l n ( 1 + 2 ) a n = a n → ∞ lim { ( a n 1 + 1 ) a n } l n ( 1 + 2 ) 1 = e l n ( 1 + 2 ) 1 이므로 α = e 1 ln ( 1 + 2 ) \displaystyle \alpha=e^{\frac1{\ln(1+\sqrt2)}} α = e l n ( 1 + 2 ) 1 이다.
g ′ ( x ) = f ′ ( x ) n f ( x ) = e n x − e − n x e n x + e − n x = e n x + e − n x − 2 e − n x e n x + e − n x = 1 − 2 e − n x e n x + e − n x ⋯ ① \displaystyle g^{\prime}(x)=\frac{f^{\prime}(x)}{nf(x)}=\frac{e^{nx}-e^{-nx}}{e^{nx}+e^{-nx}}=\frac{e^{nx}+e^{-nx}-2e^{-nx}}{e^{nx}+e^{-nx}}=1-\frac{2e^{-nx}}{e^{nx}+e^{-nx}}\quad\cdots\text{①} g ′ ( x ) = n f ( x ) f ′ ( x ) = e n x + e − n x e n x − e − n x = e n x + e − n x e n x + e − n x − 2 e − n x = 1 − e n x + e − n x 2 e − n x ⋯ ①
x \displaystyle x x 의 값이 증가하면 e n x + e − n x \displaystyle e^{nx}+e^{-nx} e n x + e − n x 의 값이 증가하고 1 e n x + e − n x \displaystyle \frac1{e^{nx}+e^{-nx}} e n x + e − n x 1 와 e − n x \displaystyle e^{-nx} e − n x 의 값은 감소하므로 g ′ ( x ) \displaystyle g^{\prime}(x) g ′ ( x ) 는 증가한다. 그러므로 닫힌 구간 [ 0 , k ] \displaystyle [0,k] [ 0 , k ] 에서 함수 g ′ ( x ) \displaystyle g^{\prime}(x) g ′ ( x ) 는 x = k \displaystyle x=k x = k 에서 최대이고 최댓값은 g ′ ( k ) = 1 − 2 e − n k e n k + e − n k = 1 3 e 1 ln α = 1 3 e ln ( 1 + 2 ) = 1 + 2 3 \displaystyle g^{\prime}(k)=1-\frac{2e^{-nk}}{e^{nk}+e^{-nk}}=\frac13e^{\frac1{\ln\alpha}}=\frac13e^{\ln(1+\sqrt2)}=\frac{1+\sqrt2}3 g ′ ( k ) = 1 − e nk + e − nk 2 e − nk = 3 1 e l n α 1 = 3 1 e l n ( 1 + 2 ) = 3 1 + 2 이므로 1 − 2 e − n k e n k + e − n k = 1 + 2 3 \displaystyle 1-\frac{2e^{-nk}}{e^{nk}+e^{-nk}}=\frac{1+\sqrt2}3 1 − e nk + e − nk 2 e − nk = 3 1 + 2 이고 이 식의 양변을 정리하면2 − 2 6 = e − n k e n k + e − n k ⋯ ② \displaystyle \frac{2-\sqrt2}6=\frac{e^{-nk}}{e^{nk}+e^{-nk}}\quad\cdots\text{②} 6 2 − 2 = e nk + e − nk e − nk ⋯ ② 이다. 이때 2 − 2 6 = t \displaystyle \frac{2-\sqrt2}6=t 6 2 − 2 = t 라고 하고 ②에 대입하면 t = e − n k e n k + e − n k \displaystyle t=\frac{e^{-nk}}{e^{nk}+e^{-nk}} t = e nk + e − nk e − nk 이고 식을 정리하면 t e n k = e − n k − t e − n k \displaystyle te^{nk}=e^{-nk}-te^{-nk} t e nk = e − nk − t e − nk 이다. 이때 양변에 e n k \displaystyle e^{nk} e nk 을 곱하면 e 2 n k = 1 − t t = 1 − 2 − 2 6 2 − 2 6 = 5 + 3 2 \displaystyle e^{2nk}=\frac{1-t}t=\frac{1-\frac{2-\sqrt2}6}{\frac{2-\sqrt2}6}=5+3\sqrt2 e 2 nk = t 1 − t = 6 2 − 2 1 − 6 2 − 2 = 5 + 3 2 이다. 따라서 k = 1 2 n ln ( 5 + 3 2 ) \displaystyle k=\frac1{2n}\ln(5+3\sqrt2) k = 2 n 1 ln ( 5 + 3 2 ) 이다.
[문제 1-2] (답) 24 2 ln ( 1 + 2 ) \displaystyle 24\sqrt2\ln(1+\sqrt2) 24 2 ln ( 1 + 2 )
(풀이) 점 P \displaystyle \mathrm{P} P 의 x \displaystyle x x 좌표는 a n = 1 n ln ( 1 + 2 ) \displaystyle a_n=\frac1n\ln(1+\sqrt2) a n = n 1 ln ( 1 + 2 ) , y \displaystyle y y 좌표는 2 2 \displaystyle 2\sqrt2 2 2 이고 점 Q \displaystyle \mathrm{Q} Q 의 x \displaystyle x x 좌표 b n = − 1 n ln ( 1 + 2 ) \displaystyle b_n=-\frac1n\ln(1+\sqrt2) b n = − n 1 ln ( 1 + 2 ) , y \displaystyle y y 좌표는 2 2 \displaystyle 2\sqrt2 2 2 이다.
삼각형 O P Q \displaystyle \mathrm{OPQ} OPQ 의 넓이는 2 2 1 n ln ( 1 + 2 ) = 2 2 ln ( 1 + 2 ) 1 n \displaystyle 2\sqrt2\frac1n\ln(1+\sqrt2)=2\sqrt2\ln(1+\sqrt2)\frac1n 2 2 n 1 ln ( 1 + 2 ) = 2 2 ln ( 1 + 2 ) n 1 이고 n = 1 , 2 , 3 , ⋯ \displaystyle n=1,2,3,\cdots n = 1 , 2 , 3 , ⋯ 이므로 삼각형 O P Q \displaystyle \mathrm{OPQ} OPQ 의 넓이가 최대가 되는 경우는 n = 1 \displaystyle n=1 n = 1 이고 이때 P ′ ( ln ( 1 + 2 ) , 2 2 ) , Q ′ ( − ln ( 1 + 2 ) , 2 2 ) \displaystyle \mathrm{P}^{\prime}(\ln(1+\sqrt2),2\sqrt2),\ \mathrm{Q}^{\prime}(-\ln(1+\sqrt2),2\sqrt2) P ′ ( ln ( 1 + 2 ) , 2 2 ) , Q ′ ( − ln ( 1 + 2 ) , 2 2 ) 이다. 점 P ′ \displaystyle \mathrm{P}^{\prime} P ′ 에서의 접선의 방정식은 y − 2 2 = 2 ( x − ln ( 1 + 2 ) ) \displaystyle y-2\sqrt2=2(x-\ln(1+\sqrt2)) y − 2 2 = 2 ( x − ln ( 1 + 2 )) 이며 이 접선을 y \displaystyle y y 축 대칭하면 점 Q ′ \displaystyle \mathrm{Q}^{\prime} Q ′ 에서의 접선이 된다. 따라서 점 Q ′ \displaystyle \mathrm{Q}^{\prime} Q ′ 에서의 접선의 방정식은 y − 2 2 = 2 ( − x − ln ( 1 + 2 ) ) \displaystyle y-2\sqrt2=2(-x-\ln(1+\sqrt2)) y − 2 2 = 2 ( − x − ln ( 1 + 2 )) 이며 Q ′ \displaystyle \mathrm{Q}^{\prime} Q ′ 에서의 접선의 기울기는 − 2 \displaystyle -2 − 2 이다.
포물선 y 2 = 12 x \displaystyle y^2=12x y 2 = 12 x 위의 점 ( a , b ) \displaystyle (a,b) ( a , b ) 에서의 접선의 방정식은 y = 6 b x + 6 a b \displaystyle y=\frac6b x+\frac{6a}b y = b 6 x + b 6 a 이고 이 접선은 점 Q ′ \displaystyle \mathrm{Q}^{\prime} Q ′ 에서의 접선과 수직이므로 b = 12 \displaystyle b=12 b = 12 이다. 점 ( a , b ) \displaystyle (a,b) ( a , b ) 는 포물선 y 2 = 12 x \displaystyle y^2=12x y 2 = 12 x 위의 점이므로 b 2 = 12 a \displaystyle b^2=12a b 2 = 12 a 이고 이 식에 b = 12 \displaystyle b=12 b = 12 를 대입하여 풀면 a = 12 \displaystyle a=12 a = 12 이다. 또 삼각형 O P ′ Q ′ \displaystyle \mathrm{OP}^{\prime}\mathrm{Q}^{\prime} OP ′ Q ′ 의 넓이는 S = 2 2 ln ( 1 + 2 ) \displaystyle S=2\sqrt2\ln(1+\sqrt2) S = 2 2 ln ( 1 + 2 ) 이다. 따라서 S a b = 24 2 ln ( 1 + 2 ) \displaystyle S\sqrt{ab}=24\sqrt2\ln(1+\sqrt2) S ab = 24 2 ln ( 1 + 2 ) 이다.
[문제 1-1] (15점) 5점: α = e 1 ln ( 1 + 2 ) \displaystyle \alpha=e^{\frac1{\ln(1+\sqrt2)}} α = e l n ( 1 + 2 ) 1 을 구할 수 있다. 5점: g ′ ( x ) \displaystyle g^{\prime}(x) g ′ ( x ) 는 증가한다를 구할 수 있다. 5점: k = 1 2 n ln ( 5 + 3 2 ) \displaystyle k=\frac1{2n}\ln(5+3\sqrt2) k = 2 n 1 ln ( 5 + 3 2 ) 를 구할 수 있다.
[문제 1-2] (15점) 5점: Q ′ \displaystyle Q^{\prime} Q ′ 에서의 접선의 기울기는 − 2 \displaystyle -2 − 2 를 구할 수 있다. 5점: 포물선 y 2 = 12 x \displaystyle y^2=12x y 2 = 12 x 위의 점 ( a , b ) \displaystyle (a,b) ( a , b ) 에서의 접선의 방정식은 y = 6 b x + 6 a b \displaystyle y=\frac6bx+\frac{6a}b y = b 6 x + b 6 a 을 구할 수 있다. 5점: S a b = 24 2 ln ( 1 + 2 ) \displaystyle S\sqrt{ab}=24\sqrt2\ln(1+\sqrt2) S ab = 24 2 ln ( 1 + 2 ) 를 구할 수 있다.