미적분Ⅱ도함수의 활용수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

이동 거리와 가속도

문제

양의 실수 전체의 집합에서 이계도함수를 갖는 함수 f(t)f ( t )에 대하여 좌표평면 위를 움직이는 점  P\ P의 시각 t(t1)t ( t \geq 1 )에서의 위치 (x,y)( x , y ){x=2lnty=f(t)\displaystyle \begin{cases} x = 2 \ln t \\ \\ y = f ( t ) \end{cases} 이다. 점 P\mathrm{P}가 점 (0,f(1))( 0 , f ( 1 ) )로부터 움직인 거리가 ss가 될 때 시각 ttt=s+s2+42\displaystyle t = \frac{s + \sqrt{s ^{2} + 4}}{2}이고, t=2t = 2일 때 점 P\mathrm{P}의 속도는 (1,34)\displaystyle \left( 1 , \frac{3}{4} \right)이다. 시각 t=2t = 2일 때, 점 P\mathrm{P}의 가속도를 (12,a)\displaystyle \left( - \frac{1}{2} , a \right)라 할 때, 60a60 a의 값을 구하시오. [4점]

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15

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해설

좌표평면 위를 움직이는 점 P\mathrm{P}의 시각 t(t1)t ( t \geq 1 )에서의 위치 (x,y)( x , y )x=2lnt,y=f(t)x = 2 \ln t , y = f ( t )로 주어졌으므로 시각 tt에서의 속도는 v=(2t,f(t))\displaystyle \vec{v} = \left( \frac{2}{t} , f' ( t ) \right)이고 시각 tt에서의 가속도는 a=(2t2,f(t))\displaystyle \vec{a} = \left( - \frac{2}{t ^{2}} , f'' ( t ) \right)이다. t=2t = 2일 때 점 P\mathrm{P}의 속도가 (1,34)\displaystyle \left( 1 , \frac{3}{4} \right)이므로 f(2)=34\displaystyle f' ( 2 ) = \frac{3}{4}이다. t=2t = 2일 때 점 P\mathrm{P}의 가속도가 (12,a)\displaystyle \left( - \frac{1}{2} , a \right)이므로 f(2)=af'' ( 2 ) = a이다. 점 P\mathrm{P}가 점 (0,f(1))( 0 , f ( 1 ) )로부터 움직인 거리가 ss가 될 때, 시각 ttt=s+s2+42\displaystyle t = \frac{s + \sqrt{s ^{2} + 4}}{2}이고, 주어진 식을 정리하면 2t=s+s2+4\displaystyle 2 t = s + \sqrt{s ^{2} + 4} (2ts)2=s2+4( 2 t - s ) ^{2} = s ^{2} + 4 4t24ts+s2=s2+44 t ^{2} - 4 ts + s ^{2} = s ^{2} + 4 ts=t21ts = t ^{2} - 1 s=t1t\displaystyle \therefore s = t - \frac{1}{t}\cdots \text{㉠}이다. s=1tvdt=1t(2t)2+(f(t))2dt\displaystyle s = \int _{1} ^{t} | \vec{v} | dt = \int _{1} ^{t} \sqrt{{\left( \frac{2}{t} \right)} ^{2} + \left( f' ( t ) \right) ^{2}} dt 에서 양변을 tt로 미분하면 dsdt=4t2+(f(t))2\displaystyle \frac{ds}{dt} = \sqrt{\frac{4}{t ^{2}} + ( f' ( t ) ) ^{2}}이다. 한편 \text{㉠}에서 dsdt=1+1t2\displaystyle \frac{ds}{dt} = 1 + \frac{1}{t ^{2}} 이므로 1+1t2=4t2+(f(t))2\displaystyle 1 + \frac{1}{t ^{2}} = \sqrt{\frac{4}{t ^{2}} + ( f' ( t ) )} ^{2}임을 알 수 있고 양변을 제곱하여 정리하면 1+2t2+1t4=4t2+(f(t))2\displaystyle 1 + \frac{2}{t ^{2}} + \frac{1}{t ^{4}} = \frac{4}{t ^{2}} + ( f' ( t ) ) ^{2} (f(t))2=12t2+1t4=(11t2)2\displaystyle ( f' ( t ) ) ^{2} = 1 - \frac{2}{t ^{2}} + \frac{1}{t ^{4}} = \left( 1 - \frac{1}{t ^{2}} \right) ^{2} f(t)=11t2\displaystyle f' ( t ) = 1 - \frac{1}{t ^{2}} (f(2)=34)\displaystyle \left( \because f' ( 2 ) = \frac{3}{4} \right) \cdots \text{㉡} \text{㉡}의 식을 tt로 미분하면 f(t)=2t3\displaystyle f'' ( t ) = \frac{2}{t ^{3}}이고 a=f(2)=14\displaystyle a = f'' ( 2 ) = \frac{1}{4}이다. 따라서 60a=60×14=15\displaystyle 60 a = 60 \times \frac{1}{4} = 15이다. [다른풀이] x=2lnt,y=f(t)x = 2 \ln t , y = f \left( t \right) 이므로 dxdt=2t,dydt=f(t)\displaystyle \frac{dx}{dt} = \frac{2}{t} , \frac{dy}{dt} = f' \left( t \right) d2xdt2=2t2,d2ydt2=f(t)\displaystyle \frac{d ^{2} x}{dt ^{2}} = - \frac{2}{t ^{2}} , \frac{d ^{2} y}{dt ^{2}} = f'' \left( t \right) v=(2t,f(t))\displaystyle {\vec{v}} = \left( \frac{2}{t} , f' \left( t \right) \right)t=2t = 2 를 대입하면 v=(1,f(2))=(1,34)\displaystyle {\vec{v}} = \left( 1 , f' \left( 2 \right) \right) = \left( 1 , \frac{3}{4} \right)이므로 ∴ f(2)=34\displaystyle f' \left( 2 \right) = \frac{3}{4} a=(2t2,f(t))\displaystyle {\vec{a}} = \left( - \frac{2}{t ^{2}} , f'' \left( t \right) \right)t=2t = 2를 대입하면 a=(12,f(2))=(12,a)\displaystyle {\vec{a}} = \left( - \frac{1}{2} , f'' \left( 2 \right) \right) = \left( - \frac{1}{2} , a \right)a=f(2)a = f'' \left( 2 \right) s=1s+s2+42(2t)2+{f(t)}2dt\displaystyle s = \int _{1} ^{\frac{s + \sqrt{s ^{2} + 4}}{2}} {\sqrt{\left( \frac{2}{t} \right) ^{2} + \left\{ f' \left( t \right) \right\} ^{2}}} dt 에서 g(s)=s+s2+42\displaystyle g \left( s \right) = \frac{s + \sqrt{s ^{2} + 4}}{2}라 하자 s=1g(s)(2t)2+{f(t)}2dt\displaystyle s = \int _{1} ^{g \left( s \right)} {\sqrt{\left( \frac{2}{t} \right) ^{2} + \left\{ f' \left( t \right) \right\} ^{2}}} dt 양변을 ss에 대하여 미분하면 1=(2g(s))2+{f(g(s))}2(g(s))\displaystyle 1 = \sqrt{\left( \frac{2}{g \left( s \right)} \right) ^{2} + \left\{ f' \left( g \left( s \right) \right) \right\} ^{2}} \cdot \left( g' \left( s \right) \right) 양변을 제곱하면 [(2g(s))2+{f(g(s))}2](g(s))2=1\displaystyle \left[ \left( \frac{2}{g \left( s \right)} \right) ^{2} + \left\{ f' \left( g \left( s \right) \right) \right\} ^{2} \right] \cdot \left( g' \left( s \right) \right) ^{2} = 1 \cdots\cdots㉠ 위의 식을 미분하면 [2(2g(s))(2{g(s)}2)g(s)+2{f(g(s))}f(g(s))g(s)](g(s))2\displaystyle \left[ 2 \left( \frac{2}{g \left( s \right)} \right) \cdot \left( - \frac{2}{\left\{ g \left( s \right) \right\} ^{2}} \right) \cdot g' \left( s \right) + 2 \left\{ f' \left( g \left( s \right) \right) \right\} \cdot f'' \left( g \left( s \right) \right) \cdot g' \left( s \right) \right] \cdot \left( g' \left( s \right) \right) ^{2} +[(2g(s))2+{f(g(s))}2]2g(s)g(s)=0\displaystyle + \left[ \left( \frac{2}{g \left( s \right)} \right) ^{2} + \left\{ f' \left( g \left( s \right) \right) \right\} ^{2} \right] \cdot 2 g' \left( s \right) \cdot g'' \left( s \right) = 0 \cdots\cdots㉡ 한편, g(s)=12(1+2s2s2+4)=12+s2s2+4\displaystyle g' \left( s \right) = \frac{1}{2} \cdot \left( 1 + \frac{2 s}{2 \sqrt{s ^{2} + 4}} \right) = \frac{1}{2} + \frac{s}{2 \sqrt{s ^{2} + 4}} g(s)=12s2+4s2s2s2+4s2+4=2(s2+4)s2+4\displaystyle g'' \left( s \right) = \frac{1}{2} \cdot \frac{\sqrt{s ^{2} + 4} - s \cdot \frac{2 s}{2 \sqrt{s ^{2} + 4}}}{s ^{2} + 4} = \frac{2}{\left( s ^{2} + 4 \right) \sqrt{s ^{2} + 4}} g(s)=s+s2+42=2\displaystyle g \left( s \right) = \frac{s + \sqrt{s ^{2} + 4}}{2} = 2 를 정리하면 s=32\displaystyle s = \frac{3}{2} g(32)=2\displaystyle g \left( \frac{3}{2} \right) = 2 , g(32)=45\displaystyle g' \left( \frac{3}{2} \right) = \frac{4}{5} , g(32)=16125\displaystyle g'' \left( \frac{3}{2} \right) = \frac{16}{125} ㉠에 s=32\displaystyle s = \frac{3}{2}를 대입하면 [(2g(32))2+{f(g(32))}2](g(32))2=1\displaystyle \left[ \left( \frac{2}{g \left( \frac{3}{2} \right)} \right) ^{2} + \left\{ f' \left( g \left( \frac{3}{2} \right) \right) \right\} ^{2} \right] \cdot \left( g' \left( \frac{3}{2} \right) \right) ^{2} = 1 [(22)2+{f(2)}2](45)2=1\displaystyle \left[ \left( \frac{2}{2} \right) ^{2} + \left\{ f' \left( 2 \right) \right\} ^{2} \right] \cdot \left( \frac{4}{5} \right) ^{2} = 1 f(2)=34\displaystyle f' \left( 2 \right) = \frac{3}{4} ㉡에 s=32\displaystyle s = \frac{3}{2}를 대입하면 [2(2g(32))(2{g(32)}2)g(32)\displaystyle \left[ 2 \left( \frac{2}{g \left( \frac{3}{2} \right)} \right) \cdot \left( - \frac{2}{\left\{ g \left( \frac{3}{2} \right) \right\} ^{2}} \right) \cdot g' \left( \frac{3}{2} \right) \right. +2{f(g(32))}f(g(32))g(32)](g(32))2+[(2g(32))2+{f(g(32))}2]2g(32)g(32)=0\displaystyle \begin{aligned} + 2 \left\{ f' \left( g \left( \frac{3}{2} \right) \right) \right\} \cdot f'' \left( g \left( \frac{3}{2} \right) \right) \cdot g' \left( \frac{3}{2} \right) ] \cdot \left( g' \left( \frac{3}{2} \right) \right) ^{2} \\ + \left[ \left( \frac{2}{g \left( \frac{3}{2} \right)} \right) ^{2} + \left\{ f' \left( g \left( \frac{3}{2} \right) \right) \right\} ^{2} \right] \cdot 2 g' \left( \frac{3}{2} \right) \cdot g'' \left( \frac{3}{2} \right) = 0 \end{aligned} [2(22)(2{2}2)45+2{f(2)}f(2)45](45)2\displaystyle \left[ 2 \left( \frac{2}{2} \right) \cdot \left( - \frac{2}{\left\{ 2 \right\} ^{2}} \right) \cdot \frac{4}{5} + 2 \left\{ f' \left( 2 \right) \right\} \cdot f'' \left( 2 \right) \cdot \frac{4}{5} \right] \cdot \left( \frac{4}{5} \right) ^{2} +[(22)2+{f(2)}2]24516125=0\displaystyle + \left[ \left( \frac{2}{2} \right) ^{2} + \left\{ f' \left( 2 \right) \right\} ^{2} \right] \cdot 2 \cdot \frac{4}{5} \cdot \frac{16}{125} = 0a=f(2)=14\displaystyle a = f'' \left( 2 \right) = \frac{1}{4}60a=1560 a = 15

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