대수지수함수와 로그함수수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

지수함수 그래프와 사각형

문제

그림과 같이 곡선 y=12xy = 1 - 2 ^{- x} 위의 제1\mathrm{1}사분면에 있는 점 A{\mathrm{A}}를 지나고 yy축에 평행한 직선이 곡선 y=2xy = 2 ^{x}과 만나는 점을 B{\mathrm{B}}라 하자. 점 A{\mathrm{A}}를 지나고 xx축에 평행한 직선이 곡선 y=2xy = 2 ^{x}과 만나는 점을 C{\mathrm{C}}, 점 C{\mathrm{C}}를 지나고 yy축에 평행한 직선이 곡선 y=12xy = 1 - 2 ^{- x}과 만나는 점을 D{\mathrm{D}}라 하자. AB=2CD\displaystyle \overline{{\mathrm{AB}}} = 2 \overline{{\mathrm{CD}}}일 때, 사각형 ABCD{\mathrm{ABCD}}의 넓이는? [4점]

52log2354\displaystyle \frac{5}{2} \log _{2} 3 - \frac{5}{4}3log2332\displaystyle 3 \log _{2} 3 - \frac{3}{2}72log2374\displaystyle \frac{7}{2} \log _{2} 3 - \frac{7}{4}4log2324 \log _{2} 3 - 292log2394\displaystyle \frac{9}{2} \log _{2} 3 - \frac{9}{4}

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해설

주어진 그림에서 두 점 A\mathrm{A}, C\mathrm{C}xx좌표를 각각 kk (k>0)\left( k > 0 \right), mm (m<0)\left( m < 0 \right)이라 하면 A(k,12k)\mathrm{A} \mathit{\left( k , 1 - 2 ^{-k} \right)}, B(k,2k)\mathrm{B} \mathit{\left( k , 2 ^{k} \right)}, C(m,2m)\mathrm{C} \mathit{\left( m , 2 ^{m} \right)}, D(m,12m)\mathrm{D} \mathit{\left( m , 1 - 2 ^{-m} \right)} 두 점 A\mathrm{A}, C\mathrm{C}yy좌표가 같으므로 12k=2m1 - 2 ^{-k} = 2 ^{m} \cdots\cdotsAB=2k+2k1\displaystyle \overline{\mathrm{AB}} = {2 ^{k} + 2 ^{-k} - 1}, CD=2m+2m1\displaystyle \overline{\mathrm{CD}} = 2 ^{m} + 2 ^{-m} - 1이고 AB=2CD\displaystyle \overline{\mathrm{AB}} = 2 \overline{\mathrm{CD}}에서 2k+2k1=2(2m+2m1)2 ^{k} + 2 ^{-k} - 1 = 2 \left( 2 ^{m} + 2 ^{-m} - 1 \right) \cdots\cdots ㉡ ㉠을 ㉡에 대입하면 2k+2k1=2(12k+112k1)\displaystyle 2 ^{k} + 2 ^{-k} - 1 = 2 \left( 1 - 2 ^{-k} + \frac{1}{1 - 2 ^{-k}} - 1 \right) 2k=a2 ^{k} = a (a>0)\left( a > 0 \right)이라 하면 a+1a1=2(111a1a)\displaystyle a + \frac{1}{a} - 1 = 2 \left( \frac{1}{1 - \frac{1}{a}} - \frac{1}{a} \right), a2a+1a=2×a2a+1a×1a1\displaystyle \frac{a ^{2} - a + 1}{a} = 2 \times \frac{a ^{2} - a + 1}{a} \times \frac{1}{a - 1} 이때 a0a \neq 0, a2a+10a ^{2} - a + 1 \neq 0이므로 1=2a1\displaystyle 1 = \frac{2}{a - 1}, a1=2a - 1 = 2 \therefore a=3a = 32k=32 ^{k} = 3에서 k=log23k = \log _{2} 3이고 2k=13\displaystyle 2 ^{-k} = \frac{1}{3}이므로 ㉠에서 2m=113=23\displaystyle 2 ^{m} = 1 - \frac{1}{3} = \frac{2}{3}, m=log223\displaystyle m = \log _{2} \frac{2}{3} 따라서 A(log23,23)\displaystyle \mathrm{A} \mathit{\left( \log _{2} 3 , \frac{2}{3} \right)}, B(log23,3)\mathrm{B} \mathit{\left( \log _{2} 3 , 3 \right)}, C(log223,23)\displaystyle \mathrm{C} \mathit{\left( \log _{2} \frac{2}{3} , \frac{2}{3} \right)}, D(log223,12)\displaystyle \mathrm{D} \mathit{\left( \log _{2} \frac{2}{3} , - \frac{1}{2} \right)}이므로 AC=log23log223=log292\displaystyle \overline{\mathrm{AC}} = \log _{2} 3 - \log _{2} \frac{2}{3} = \log _{2} \frac{9}{2}, AB=323=73\displaystyle \overline{\mathrm{AB}} = 3 - \frac{2}{3} = \frac{7}{3}, CD=23(12)=76\displaystyle \overline{\mathrm{CD}} = \frac{2}{3} - \left( - \frac{1}{2} \right) = \frac{7}{6} 삼각형 ABC\mathrm{ABC}, ACD\mathrm{ACD}의 넓이를 각각 S1S _{1}, S2S _{2}라 하면 S1S _{1}=12×log292×73\displaystyle = \frac{1}{2} \times \log _{2} \frac{9}{2} \times \frac{7}{3}=73log2376\displaystyle = \frac{7}{3} \log _{2} 3 - \frac{7}{6}, S2S _{2}=12×log292×76\displaystyle = \frac{1}{2} \times \log _{2} \frac{9}{2} \times \frac{7}{6}=76log23712\displaystyle = \frac{7}{6} \log _{2} 3 - \frac{7}{12} 따라서 구하려는 사각형 ABCD\mathrm{ABCD}의 넓이는 S1+S2S _{1} + S _{2}=(73log2376)+(76log23712)\displaystyle = \left( \frac{7}{3} \log _{2} 3 - \frac{7}{6} \right) + \left( \frac{7}{6} \log _{2} 3 - \frac{7}{12} \right) =72log2374\displaystyle = \frac{7}{2} \log _{2} 3 - \frac{7}{4}

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