수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의학계 1번

문제

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+2점 · g(t)=sin(nlt)\displaystyle g(t)=\sin\left(\frac nl t\right)를 미분하면 g(t)=nlcos(nlt)\displaystyle g^{\prime}(t)=\frac nl\cos\left(\frac nl t\right)를 얻는다.

[문제 1-1] (25점)(1) g(t)=sin(nlt)\displaystyle g(t)=\sin\left(\frac nl t\right)를 미분하면 g(t)=nlcos(nlt)\displaystyle g^{\prime}(t)=\frac nl\cos\left(\frac nl t\right)를 얻는다.

+3점 · g(t)2=12(nl)2(1+cos(2nlt))\displaystyle |g^{\prime}(t)|^2=\frac12\left(\frac nl\right)^2\left(1+\cos\left(\frac{2n}l t\right)\right)이다.

이것을 제곱하고 cos2θ=1+cos(2θ)2\displaystyle \cos^2\theta=\frac{1+\cos(2\theta)}2를 이용하면g(t)2=12(nl)2(1+cos(2nlt))\displaystyle |g^{\prime}(t)|^2=\frac12\left(\frac nl\right)^2\left(1+\cos\left(\frac{2n}l t\right)\right)이다.

+5점 · E=02πg(t)2dt\displaystyle E=\int_0^{2\pi}|g^{\prime}(t)|^2\,dt (2점) =(nl)2π+n4lsin(4nπl)\displaystyle =\left(\frac nl\right)^2\pi+\frac n{4l}\sin\left(\frac{4n\pi}l\right)이다.

따라서E=02πg(t)2dt=12(nl)2{2π+l2nsin(2nl2π)}=(nl)2π+n4lsin(4nπl)\displaystyle E=\int_0^{2\pi}|g^{\prime}(t)|^2\,dt=\frac12\left(\frac nl\right)^2\left\{2\pi+\frac l{2n}\sin\left(\frac{2n}l2\pi\right)\right\}=\left(\frac nl\right)^2\pi+\frac n{4l}\sin\left(\frac{4n\pi}l\right)이다.

+5점 · nl<1\displaystyle \frac nl<1인 모든 순서쌍 (n,l)\displaystyle (n,l)에 대하여 E<π\displaystyle E<\pi이다.

(2) 다음과 같은 세 가지 경우를 고려하면 된다.1) nl<1\displaystyle \frac nl<1sinθ1\displaystyle \sin\theta\le1을 이용하면E=(nl)2π+n4lsin(4nπl)(nl)2π+n4l<{(nl)2+14nl}π\displaystyle E=\left(\frac nl\right)^2\pi+\frac n{4l}\sin\left(\frac{4n\pi}l\right)\le\left(\frac nl\right)^2\pi+\frac n{4l}<\left\{\left(\frac nl\right)^2+\frac14\frac nl\right\}\pi를 관찰할 수 있다. 이와 관련하여 함수 h(t)=t2+14t\displaystyle h(t)=t^2+\frac14t를 정의하자. h(t)\displaystyle h(t)는 모든 t>0\displaystyle t>0에 대하여 증가함수이다. nl<1\displaystyle \frac nl<1을 만족하는 순서쌍 중에서 nl\displaystyle \frac nl값이 최대가 되는 경우는 (n,l)=(5,6)\displaystyle (n,l)=(5,6)인 경우이다. h(56)<1\displaystyle h\left(\frac56\right)<1이므로, nl<1\displaystyle \frac nl<1인 모든 순서쌍 (n,l)\displaystyle (n,l)에 대하여 E<π\displaystyle E<\pi이다.

+5점 · E=(nl)2π+n4lsin4nπl=(nl)2ππ\displaystyle E=\left(\frac nl\right)^2\pi+\frac n{4l}\sin\frac{4n\pi}l=\left(\frac nl\right)^2\pi\ge\pi이 성립한다.

2) nl1\displaystyle \frac nl\ge1이고, nl\displaystyle \frac nl이 자연수이거나 기약분수로 표현했을 때 a2\displaystyle \frac a2 또는 a4\displaystyle \frac a4꼴인 경우sin(4nπl)=0\displaystyle \sin\left(\frac{4n\pi}l\right)=0이기 때문에 부등식E=(nl)2π+n4lsin4nπl=(nl)2ππ\displaystyle E=\left(\frac nl\right)^2\pi+\frac n{4l}\sin\frac{4n\pi}l=\left(\frac nl\right)^2\pi\ge\pi이 성립한다.

+5점 · 답은 nl1\displaystyle \frac nl\ge1을 만족하는 모든 순서쌍 (n,l)\displaystyle (n,l)이다.

3) nl1\displaystyle \frac nl\ge1이고, nl\displaystyle \frac nl을 기약분수로 표현했을 때 a3\displaystyle \frac a3 또는 a5\displaystyle \frac a5꼴인 경우이 경우에는 가능한 순서쌍이 다음 세 가지뿐이다.(n,l)=(4,3),(5,3),(6,5)\displaystyle (n,l)=(4,3),(5,3),(6,5)1sinθ\displaystyle -1\le\sin\theta를 이용하면, 위의 각 경우에 대해 해당하는 E\displaystyle E에 대한 다음 부등식을 관찰할 수 있다.(n,l)=(4,3): E=(43)2π+13sin16π3>169π13=π+79π13>π\displaystyle (n,l)=(4,3):\ E=\left(\frac43\right)^2\pi+\frac13\sin\frac{16\pi}3>\frac{16}9\pi-\frac13=\pi+\frac79\pi-\frac13>\pi(n,l)=(5,3): E=(53)2π+512sin20π3>259π512=π+169π512>π\displaystyle (n,l)=(5,3):\ E=\left(\frac53\right)^2\pi+\frac5{12}\sin\frac{20\pi}3>\frac{25}9\pi-\frac5{12}=\pi+\frac{16}9\pi-\frac5{12}>\pi(n,l)=(6,5): E=(65)2π+310sin24π5>3625π310=π+1125π310>π\displaystyle (n,l)=(6,5):\ E=\left(\frac65\right)^2\pi+\frac3{10}\sin\frac{24\pi}5>\frac{36}{25}\pi-\frac3{10}=\pi+\frac{11}{25}\pi-\frac3{10}>\pi그러므로 답은 nl1\displaystyle \frac nl\ge1을 만족하는 모든 순서쌍 (n,l)\displaystyle (n,l)이다.

+5점 · 곡선의 길이는 모두 ee12\displaystyle \frac{e-e^{-1}}2이다.

[문제 1-2] (25점)(1) A(0,f(0))\displaystyle \mathrm{A}(0,f(0))부터 점 (s,f(s))\displaystyle (s,f(s)) 사이의 곡선의 길이를 G(s)\displaystyle G(s)라 하면, s0\displaystyle s\ge0일때G(s)=0s1+f(x)2dx=0s1+(exex2)2dx=0sex+ex2dx=eses2\displaystyle \begin{aligned}G(s)&=\int_0^s\sqrt{1+f^{\prime}(x)^2}\,dx=\int_0^s\sqrt{1+\left(\frac{e^x-e^{-x}}2\right)^2}\,dx\\&=\int_0^s\frac{e^x+e^{-x}}2\,dx=\frac{e^s-e^{-s}}2\end{aligned}이고, s0\displaystyle s\le0이면G(s)=eses2\displaystyle G(s)=\frac{e^{-s}-e^s}2이다. 특히 A(0,f(0))\displaystyle \mathrm{A}(0,f(0))부터 B(1,f(1))\displaystyle \mathrm{B}(1,f(1))까지 곡선의 길이와 A(0,f(0))\displaystyle \mathrm{A}(0,f(0))부터 C(1,f(1))\displaystyle \mathrm{C}(-1,f(-1))까지 곡선의 길이는 모두 ee12\displaystyle \frac{e-e^{-1}}2이다.

+5점 · k\displaystyle k를 4로 나눈 나머지를 a\displaystyle a라 하자. a=0\displaystyle a=0, a=1\displaystyle a=1, a=2\displaystyle a=2, a=3\displaystyle a=3인 경우

0t2π\displaystyle 0\le t\le2\pi일 때, 0nlt2nπl\displaystyle 0\le\frac nl t\le\frac{2n\pi}l이며 nlt\displaystyle \frac nl t가 0부터 시작하여 π2\displaystyle \frac\pi2만큼 변할 때마다 점 Q는 A와 B 사이 또는 A와 C사이의 곡선을 지난다. nl2ππ2=4nl\displaystyle \frac{\frac nl2\pi}{\frac\pi2}=\frac{4n}l이기 때문에, k4nl<k+1\displaystyle k\le\frac{4n}l<k+1인 정수 k\displaystyle k에 대하여, k\displaystyle k는 점 Q가 A와 B사이 또는 A와 C사이의 곡선을 온전하게 이동하는 총 회수를 의미한다. k\displaystyle k를 4로 나눈 나머지를 a\displaystyle a라 하자.- a=0\displaystyle a=0인 경우: Q는 점 A에 있거나 점 A에서 점 B로 가던 중 멈춘다. 따라서L=ee12k+esin2nπlesin2nπl2\displaystyle L=\frac{e-e^{-1}}2k+\frac{e^{\sin\frac{2n\pi}l}-e^{-\sin\frac{2n\pi}l}}2.- a=1\displaystyle a=1인 경우: Q는 점 B에 있거나 점 B에서 점 A로 가던 중 멈춘다.L=ee12k+ee12esin2nπlesin2nπl2=ee12(k+1)esin2nπlesin2nπl2\displaystyle L=\frac{e-e^{-1}}2k+\frac{e-e^{-1}}2-\frac{e^{\sin\frac{2n\pi}l}-e^{-\sin\frac{2n\pi}l}}2=\frac{e-e^{-1}}2(k+1)-\frac{e^{\sin\frac{2n\pi}l}-e^{-\sin\frac{2n\pi}l}}2.- a=2\displaystyle a=2인 경우: Q는 점 A에 있거나 점 A에서 점 C로 가던 중 멈춘다.L=ee12k+esin2nπlesin2nπl2=ee12kesin2nπlesin2nπl2\displaystyle L=\frac{e-e^{-1}}2k+\frac{e^{-\sin\frac{2n\pi}l}-e^{\sin\frac{2n\pi}l}}2=\frac{e-e^{-1}}2k-\frac{e^{\sin\frac{2n\pi}l}-e^{-\sin\frac{2n\pi}l}}2.- a=3\displaystyle a=3인 경우: Q는 점 C에 있거나 점 C에서 A로 가던 중 멈춘다.L=ee12k+ee12esin2nπlesin2nπl2=ee12(k+1)+esin2nπlesin2nπl2\displaystyle L=\frac{e-e^{-1}}2k+\frac{e-e^{-1}}2-\frac{e^{-\sin\frac{2n\pi}l}-e^{\sin\frac{2n\pi}l}}2=\frac{e-e^{-1}}2(k+1)+\frac{e^{\sin\frac{2n\pi}l}-e^{-\sin\frac{2n\pi}l}}2.

+2점 · k=0,1,2,3,4,5,6,8,10,12,16,20,24\displaystyle k=0,1,2,3,4,5,6,8,10,12,16,20,24임을 알 수 있다.

한편 n,l\displaystyle n,l은 주사위의 눈의 수이므로 나올 수 있는 k\displaystyle k값은 관찰을 통해k=0,1,2,3,4,5,6,8,10,12,16,20,24\displaystyle k=0,1,2,3,4,5,6,8,10,12,16,20,24임을 알 수 있다.

+3점 · L={ee12k+(1)k2esin2nπlesin2nπl2(k=0,2,4,6,8,10,12,16,20,24)ee12(k+1)+(1)k+12esin2nπlesin2nπl2(k=1,3,5)\displaystyle L=\begin{cases}\frac{e-e^{-1}}2k+(-1)^{\frac k2}\frac{e^{\sin\frac{2n\pi}l}-e^{-\sin\frac{2n\pi}l}}2&(k=0,2,4,6,8,10,12,16,20,24)\\\frac{e-e^{-1}}2(k+1)+(-1)^{\frac{k+1}2}\frac{e^{\sin\frac{2n\pi}l}-e^{-\sin\frac{2n\pi}l}}2&(k=1,3,5)\end{cases}

따라서 답은 다음과 같다.L={ee12k+(1)k2esin2nπlesin2nπl2(k=0,2,4,6,8,10,12,16,20,24)ee12(k+1)+(1)k+12esin2nπlesin2nπl2(k=1,3,5)\displaystyle L=\begin{cases}\frac{e-e^{-1}}2k+(-1)^{\frac k2}\frac{e^{\sin\frac{2n\pi}l}-e^{-\sin\frac{2n\pi}l}}2&(k=0,2,4,6,8,10,12,16,20,24)\\\frac{e-e^{-1}}2(k+1)+(-1)^{\frac{k+1}2}\frac{e^{\sin\frac{2n\pi}l}-e^{-\sin\frac{2n\pi}l}}2&(k=1,3,5)\end{cases}

+5점 · nl\displaystyle \frac nl이 클수록 점 Q의 이동량과 L\displaystyle L이 증가한다.

(2) nl\displaystyle \frac nl이 클수록 점 Q의 이동량과 L\displaystyle L이 증가한다.

+3점 · 이때 L=ee1\displaystyle L=e-e^{-1}이다.

nl=12\displaystyle \frac nl=\frac12일 때 점 Q는 점 A(0,1)\displaystyle \mathrm{A}(0,1)에서 출발하여 점 B(1,f(1))\displaystyle \mathrm{B}(1,f(1))를 거쳐 점 A(0,1)\displaystyle \mathrm{A}(0,1)로 되돌아 오면서 이동을 끝낸다. 이때 L=ee1\displaystyle L=e-e^{-1}이다.

+2점 · Lee1\displaystyle L\ge e-e^{-1}을 만족하는 순서쌍 (n,l)\displaystyle (n,l)2nl\displaystyle 2n\ge l을 만족하는 모든 순서쌍 (n,l)\displaystyle (n,l)이다.

따라서, Lee1\displaystyle L\ge e-e^{-1}을 만족하는 순서쌍 (n,l)\displaystyle (n,l)2nl\displaystyle 2n\ge l을 만족하는 모든 순서쌍 (n,l)\displaystyle (n,l)이다.

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