수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후) 2번

문제

다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.

(가) 리처드 파인만은 소년시절에 다음의 기묘한 식을 배우고 언제나 기억했다고 알려져 있다.cos(20)cos(40)cos(80)=18\displaystyle \cos(20^{\circ})\cdot\cos(40^{\circ})\cdot\cos(80^{\circ})=\frac18 (ㄱ)이는 삼각함수의 덧셈정리를 통하여 확인할 수 있다. 잘 알려진 사인과 코사인의 덧셈정리는 다음과 같다.cos(α±β)=cosαcosβsinαsinβ\displaystyle \cos(\alpha\pm\beta)=\cos\alpha\cos\beta\mp\sin\alpha\sin\betasin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ\displaystyle \sin(\alpha\pm\beta)=\sin\alpha\cos\beta\pm\cos\alpha\sin\beta이로부터 탄젠트의 덧셈정리, 사인과 코사인의 합·차를 곱으로, 또는 곱을 합·차로 고치는 공식들과, 삼각함수의 배각 및 반각 공식들을 유도할 수 있다. 삼각함수의 곱을 합·차로 고치는 공식을 이용하여 식 (ㄱ)을 아래와 같이 확인할 수 있다.cos(20)cos(40)cos(80)=12(cos(100)+cos(60))cos(40)=12cos(100)cos(40)+12cos(60)cos(40)=14(cos(140)+cos(60))+14cos(40)=14cos(60)+14(cos(140)+cos(40))=18\displaystyle \begin{aligned}\cos(20^{\circ})\cdot\cos(40^{\circ})\cdot\cos(80^{\circ})&=\frac12(\cos(100^{\circ})+\cos(60^{\circ}))\cdot\cos(40^{\circ})\\&=\frac12\cos(100^{\circ})\cdot\cos(40^{\circ})\\&\quad+\frac12\cos(60^{\circ})\cdot\cos(40^{\circ})\\&=\frac14(\cos(140^{\circ})+\cos(60^{\circ}))+\frac14\cos(40^{\circ})\\&=\frac14\cos(60^{\circ})+\frac14(\cos(140^{\circ})+\cos(40^{\circ}))\\&=\frac18\end{aligned}한편, 식 (ㄱ)은 사인 함수에 대한 배각의 공식을 이용하여 보일 수도 있다. 배각의 공식을 반복하여 적용하면 아래와 같은 식을 얻는다.sin(20)cos(20)cos(40)cos(80)=12sin(40)cos(40)cos(80)=14sin(80)cos(80)=18sin(160)\displaystyle \begin{aligned}\sin(20^{\circ})\cdot\cos(20^{\circ})\cdot\cos(40^{\circ})\cdot\cos(80^{\circ})&=\frac12\sin(40^{\circ})\cdot\cos(40^{\circ})\cdot\cos(80^{\circ})\\&=\frac14\sin(80^{\circ})\cdot\cos(80^{\circ})\\&=\frac18\sin(160^{\circ})\end{aligned}sin(20)=sin(160)\displaystyle \sin(20^{\circ})=\sin(160^{\circ})이므로 이로부터 식 (ㄱ)을 얻을 수 있다.

(나) 존 매킨(John Machin)은 런던에 있는 Gresham College의 천문학과 교수였는데 π\displaystyle \pi를 근사하는 독특한 공식을 발견한 것으로 유명하다. 예각 ϕ\displaystyle \phi를 그림 1에서와 같이 tanϕ=15\displaystyle \tan\phi=\frac15을 만족하도록 잡자.

그림 1: 밑변 5, 높이 1인 직각삼각형에서 정의한 각 φ

비슷하게 ψ\displaystyle \psitanψ=1239\displaystyle \tan\psi=\frac1{239}을 만족하도록 잡으면 다음 식이 성립한다.4ϕψ=π4\displaystyle 4\phi-\psi=\frac\pi4 (ㄴ)식 (ㄴ)을 좌우변의 탄젠트 값을 비교하여 확인해 보자. 탄젠트에 대한 배각 공식을 반복 적용한 후 덧셈정리를 적용하면tan2ϕ=21/51(1/5)2=512\displaystyle \tan2\phi=\frac{2\cdot1/5}{1-(1/5)^2}=\frac5{12}, tan4ϕ=2tan2ϕ1tan22ϕ=25/121(5/12)2=120119\displaystyle \tan4\phi=\frac{2\cdot\tan2\phi}{1-\tan^22\phi}=\frac{2\cdot5/12}{1-(5/12)^2}=\frac{120}{119},tan(4ϕψ)=120/1191/2391+120/1191/239=1\displaystyle \tan(4\phi-\psi)=\frac{120/119-1/239}{1+120/119\cdot1/239}=1을 얻는다. tanπ4=1\displaystyle \tan\frac\pi4=1이므로 공식 (ㄴ)이 성립한다.

[문제 2-1]〈20점〉 제시문 (가)의 내용을 바탕으로 다음 물음에 답하라.1) 〈10점〉 sin(20)sin(40)sin(80)\displaystyle \sin(20^{\circ})\cdot\sin(40^{\circ})\cdot\sin(80^{\circ})을 구하라.2) 〈10점〉 다음과 같이 귀납적으로 정의된 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}을 생각하자.a1=cosπ7\displaystyle a_1=\cos\frac\pi7an+1=ancosπ72n, n=1,2,\displaystyle a_{n+1}=a_n\cos\frac\pi{7\cdot2^n},\ n=1,2,\ldots극한 limnan\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n을 구하라.

[문제 2-2]〈20점〉 점 (1,0)\displaystyle (1,0)을 출발하여, 원점을 중심으로 하고 반지름의 길이가 1인 원 위를 시곗바늘이 도는 방향과 반대인 방향으로 움직이는 점 P\displaystyle P를 생각하자. 열린구간 (1,1)\displaystyle (-1,1)의 수 t\displaystyle t에 대하여, 점 P\displaystyle Px\displaystyle x좌표가 처음으로 t\displaystyle t가 될 때까지 이동한 거리를 α(t)\displaystyle \alpha(t), 점 P\displaystyle Py\displaystyle y좌표가 처음으로 t\displaystyle t가 될 때까지 이동한 거리를 β(t)\displaystyle \beta(t)라 하고 f(t)=sin(2α(t))+cos(2β(t))\displaystyle f(t)=\sin(2\alpha(t))+\cos(2\beta(t))로 정의하자.1) 〈10점〉 함수 f(t)\displaystyle f(t)를 삼각함수를 사용하지 않고 나타내라.2) 〈10점〉 열린구간 (1,1)\displaystyle (-1,1)에서 f(t)=0\displaystyle f^{\prime}(t)=0t\displaystyle t를 모두 구하라.

[문제 2-3]〈10점〉 자연수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 점 P(1,a)\displaystyle P(1,a), Q(b,1)\displaystyle Q(b,1)를 생각하자. 원점 O\displaystyle O를 중심으로 점 P\displaystyle P를 시곗바늘이 도는 방향과 같은 방향으로 π4\displaystyle \frac\pi4만큼 회전한 점을 P\displaystyle P^{\prime}, 점 Q\displaystyle Q를 시곗바늘이 도는 방향과 반대인 방향으로 γ\displaystyle \gamma만큼(단, γ\displaystyle \gammatanγ=12\displaystyle \tan\gamma=\frac12인 예각) 회전한 점을 Q\displaystyle Q^{\prime}이라 하자. 세 점 O,P,Q\displaystyle O,P^{\prime},Q^{\prime}이 일직선 위에 있도록 하는 자연수 a,b\displaystyle a,b의 쌍을 모두 구하라. (단, 2a<b\displaystyle 2\le a<b)

해설강의 준비중

[문제 2-1] 곱을 합·차로 고치는 공식을 반복 적용하면sin(20)sin(40)sin(80)=12(cos(100)cos(60))sin(40)=12cos(100)sin(40)+12cos(60)sin(40)=14(sin(140)sin(60))+14sin(40)=14sin(60)+14(sin(140)+sin(40))=38\displaystyle \begin{aligned}\sin(20^{\circ})\cdot\sin(40^{\circ})\cdot\sin(80^{\circ})&=-\frac12(\cos(100^{\circ})-\cos(60^{\circ}))\cdot\sin(40^{\circ})\\&=-\frac12\cos(100^{\circ})\cdot\sin(40^{\circ})\\&\quad+\frac12\cos(60^{\circ})\cdot\sin(40^{\circ})\\&=-\frac14(\sin(140^{\circ})-\sin(60^{\circ}))+\frac14\sin(40^{\circ})\\&=\frac14\sin(60^{\circ})+\frac14(-\sin(140^{\circ})+\sin(40^{\circ}))\\&=\frac{\sqrt3}8\end{aligned}사인 함수에 대한 배각 공식에 의하여ansinπ72n1=cosπ7cosπ72cosπ72n1sinπ72n1=2nsin2π7\displaystyle \begin{aligned}a_n\sin\frac\pi{7\cdot2^{n-1}}&=\cos\frac\pi7\cdots\cos\frac\pi{7\cdot2}\cdots\cos\frac\pi{7\cdot2^{n-1}}\cdot\sin\frac\pi{7\cdot2^{n-1}}\\&=2^{-n}\sin\frac{2\pi}7\end{aligned}이 성립하므로 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 일반항은 아래와 같이 주어진다.an=2nsin2π7sinπ72n1\displaystyle a_n=\frac{2^{-n}\sin\frac{2\pi}7}{\sin\frac\pi{7\cdot2^{n-1}}}삼각함수의 극한에 관한 공식 limt0sintt=1\displaystyle \lim_{t\to0}\frac{\sin t}t=1으로부터 limnan=sin2π72π7\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\frac{\sin\frac{2\pi}7}{\frac{2\pi}7}을 얻는다.

[문제 2-2] 1) 단위원에서 호의 길이는 중심각의 크기에 대응하므로, 사인과 코사인의 배각 공식에 의하여sin(2α(t))=2sin(α(t))cos(α(t))=2t1t2\displaystyle \sin(2\alpha(t))=2\sin(\alpha(t))\cos(\alpha(t))=2t\sqrt{1-t^2}cos(2α(t))=12sin2(α(t))=12t2\displaystyle \cos(2\alpha(t))=1-2\sin^2(\alpha(t))=1-2t^2Correction. 문제에서 α(t)\displaystyle \alpha(t)는 x좌표가 t가 되는 때의 이동 거리이고, β(t)\displaystyle \beta(t)는 y좌표가 t가 되는 때의 이동 거리이다. 따라서 cosα(t)=t\displaystyle \cos\alpha(t)=t, sinβ(t)=t\displaystyle \sin\beta(t)=t이며, 이 문제의 f(t)=2t1t2+12t2\displaystyle f(t)=2t\sqrt{1-t^2}+1-2t^2는 맞지만 두 번째 식은 cos(2β(t))=12sin2(β(t))\displaystyle \cos(2\beta(t))=1-2\sin^2(\beta(t))로 적어야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.을 얻는다. 이로부터 f(t)=2t1t2+12t2\displaystyle f(t)=2t\sqrt{1-t^2}+1-2t^2임을 알 수 있다.2) 함수 f(t)\displaystyle f(t)를 미분하면, f(t)=21t22t21t24t\displaystyle f^{\prime}(t)=2\sqrt{1-t^2}-\frac{2t^2}{\sqrt{1-t^2}}-4t이다.f(t)=0\displaystyle f^{\prime}(t)=0에서 12t2=2t1t2\displaystyle 1-2t^2=2t\sqrt{1-t^2}. 양변을 제곱하면8t48t2+1=0\displaystyle 8t^4-8t^2+1=0, 따라서 t2=2±24\displaystyle t^2=\frac{2\pm\sqrt2}4이다. 한편, t\displaystyle t12t2\displaystyle 1-2t^2의 부호는 같아야 하므로 f(t)=0\displaystyle f^{\prime}(t)=0의 근은 t=1222,122+2\displaystyle t=\frac12\sqrt{2-\sqrt2},-\frac12\sqrt{2+\sqrt2}이다.

[문제 2-3] tanϕ=1a\displaystyle \tan\phi=\frac1a, tanψ=1b\displaystyle \tan\psi=\frac1b인 예각 ϕ,ψ\displaystyle \phi,\psi를 생각하자. 문제의 조건은 아래 조건과 동등하다.(*) π4γ=ϕ+ψ\displaystyle \frac\pi4-\gamma=\phi+\psi탄젠트에 대한 덧셈정리로부터tan(π4γ)=1121+12=13\displaystyle \tan(\frac\pi4-\gamma)=\frac{1-\frac12}{1+\frac12}=\frac13tan(ϕ+ψ)=1a+1b11a1b=a+bab1\displaystyle \tan(\phi+\psi)=\frac{\frac1a+\frac1b}{1-\frac1a\frac1b}=\frac{a+b}{ab-1}을 얻는다. 식 (*)에 의하여 a+bab1=13\displaystyle \frac{a+b}{ab-1}=\frac13, 즉 ab3b3a1=0\displaystyle ab-3b-3a-1=0를 얻는다. 식을 정리하면 (a3)(b3)=10\displaystyle (a-3)(b-3)=10이다. 이 식을 만족하는 자연수의 쌍은 (4,13)\displaystyle (4,13), (5,8)\displaystyle (5,8)이다.

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