수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 1번

문제

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[문제 1-1] (답) k=12nln(5+32)\displaystyle k=\frac1{2n}\ln(5+3\sqrt2)

(풀이) f(x)=enx+enx\displaystyle f(x)=e^{nx}+e^{-nx}라고 하면 f(x)=n(enxenx)\displaystyle f^{\prime}(x)=n(e^{nx}-e^{-nx})이므로 enxenx=2\displaystyle e^{nx}-e^{-nx}=2이고 e2nx2enx1=0\displaystyle e^{2nx}-2e^{nx}-1=0이다. enx=X (X>0)\displaystyle e^{nx}=X\ (X>0)로 놓으면 X22X1=0\displaystyle X^2-2X-1=0이고 X=1±2\displaystyle X=1\pm\sqrt2이다. 그런데 X>0\displaystyle X>0이므로 enx=1+2\displaystyle e^{nx}=1+\sqrt2이므로 an=1nln(1+2)\displaystyle a_n=\frac1n\ln(1+\sqrt2)이다. 또limn0(1an+1)1n=liman(1an+1)anln(1+2)=liman{(1an+1)an}1ln(1+2)=e1ln(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)}}이므로 α=e1ln(1+2)\displaystyle \alpha=e^{\frac1{\ln(1+\sqrt2)}}이다.

g(x)=f(x)nf(x)=enxenxenx+enx=enx+enx2enxenx+enx=12enxenx+enx\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}

x\displaystyle x의 값이 증가하면 enx+enx\displaystyle e^{nx}+e^{-nx}의 값이 증가하고 1enx+enx\displaystyle \frac1{e^{nx}+e^{-nx}}enx\displaystyle e^{-nx}의 값은 감소하므로 g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)는 증가한다. 그러므로 닫힌 구간 [0,k]\displaystyle [0,k]에서 함수 g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)x=k\displaystyle x=k에서 최대이고 최댓값은 g(k)=12enkenk+enk=13e1lnα=13eln(1+2)=1+23\displaystyle g^{\prime}(k)=1-\frac{2e^{-nk}}{e^{nk}+e^{-nk}}=\frac13e^{\frac1{\ln\alpha}}=\frac13e^{\ln(1+\sqrt2)}=\frac{1+\sqrt2}3이므로 12enkenk+enk=1+23\displaystyle 1-\frac{2e^{-nk}}{e^{nk}+e^{-nk}}=\frac{1+\sqrt2}3이고 이 식의 양변을 정리하면226=enkenk+enk\displaystyle \frac{2-\sqrt2}6=\frac{e^{-nk}}{e^{nk}+e^{-nk}}\quad\cdots\text{②}이다. 이때 226=t\displaystyle \frac{2-\sqrt2}6=t라고 하고 ②에 대입하면 t=enkenk+enk\displaystyle t=\frac{e^{-nk}}{e^{nk}+e^{-nk}}이고 식을 정리하면 tenk=enktenk\displaystyle te^{nk}=e^{-nk}-te^{-nk}이다. 이때 양변에 enk\displaystyle e^{nk}을 곱하면e2nk=1tt=1226226=5+32\displaystyle e^{2nk}=\frac{1-t}t=\frac{1-\frac{2-\sqrt2}6}{\frac{2-\sqrt2}6}=5+3\sqrt2이다. 따라서 k=12nln(5+32)\displaystyle k=\frac1{2n}\ln(5+3\sqrt2)이다.

[문제 1-2] (답) 242ln(1+2)\displaystyle 24\sqrt2\ln(1+\sqrt2)

(풀이) 점 P\displaystyle \mathrm{P}x\displaystyle x좌표는 an=1nln(1+2)\displaystyle a_n=\frac1n\ln(1+\sqrt2), y\displaystyle y좌표는 22\displaystyle 2\sqrt2이고 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}x\displaystyle x좌표 bn=1nln(1+2)\displaystyle b_n=-\frac1n\ln(1+\sqrt2), y\displaystyle y좌표는 22\displaystyle 2\sqrt2이다.

삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}의 넓이는 221nln(1+2)=22ln(1+2)1n\displaystyle 2\sqrt2\frac1n\ln(1+\sqrt2)=2\sqrt2\ln(1+\sqrt2)\frac1n이고 n=1,2,3,\displaystyle n=1,2,3,\cdots이므로 삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}의 넓이가 최대가 되는 경우는 n=1\displaystyle n=1이고 이때P(ln(1+2),22), Q(ln(1+2),22)\displaystyle \mathrm{P}^{\prime}(\ln(1+\sqrt2),2\sqrt2),\ \mathrm{Q}^{\prime}(-\ln(1+\sqrt2),2\sqrt2)이다. 점 P\displaystyle \mathrm{P}^{\prime}에서의 접선의 방정식은 y22=2(xln(1+2))\displaystyle y-2\sqrt2=2(x-\ln(1+\sqrt2))이며 이 접선을 y\displaystyle y축 대칭하면 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}^{\prime}에서의 접선이 된다. 따라서 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}^{\prime}에서의 접선의 방정식은 y22=2(xln(1+2))\displaystyle y-2\sqrt2=2(-x-\ln(1+\sqrt2))이며 Q\displaystyle \mathrm{Q}^{\prime}에서의 접선의 기울기는 2\displaystyle -2이다.

포물선 y2=12x\displaystyle y^2=12x 위의 점 (a,b)\displaystyle (a,b)에서의 접선의 방정식은 y=6bx+6ab\displaystyle y=\frac6b x+\frac{6a}b이고 이 접선은 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}^{\prime}에서의 접선과 수직이므로 b=12\displaystyle b=12이다. 점 (a,b)\displaystyle (a,b)는 포물선 y2=12x\displaystyle y^2=12x 위의 점이므로 b2=12a\displaystyle b^2=12a이고 이 식에 b=12\displaystyle b=12를 대입하여 풀면 a=12\displaystyle a=12이다. 또 삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OP}^{\prime}\mathrm{Q}^{\prime}의 넓이는 S=22ln(1+2)\displaystyle S=2\sqrt2\ln(1+\sqrt2)이다. 따라서 Sab=242ln(1+2)\displaystyle S\sqrt{ab}=24\sqrt2\ln(1+\sqrt2)이다.

[문제 1-1] (15점)5점: α=e1ln(1+2)\displaystyle \alpha=e^{\frac1{\ln(1+\sqrt2)}}을 구할 수 있다.5점: g(x)\displaystyle g^{\prime}(x)는 증가한다를 구할 수 있다.5점: k=12nln(5+32)\displaystyle k=\frac1{2n}\ln(5+3\sqrt2)를 구할 수 있다.

[문제 1-2] (15점)5점: Q\displaystyle Q^{\prime}에서의 접선의 기울기는 2\displaystyle -2를 구할 수 있다.5점: 포물선 y2=12x\displaystyle y^2=12x 위의 점 (a,b)\displaystyle (a,b)에서의 접선의 방정식은 y=6bx+6ab\displaystyle y=\frac6bx+\frac{6a}b을 구할 수 있다.5점: Sab=242ln(1+2)\displaystyle S\sqrt{ab}=24\sqrt2\ln(1+\sqrt2)를 구할 수 있다.

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