수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문항 1] 【제시문】을 읽고 물음에 답하시오.

(가) [그림 1]과 같이 길이가 3인 고정된 막대 AB 끝에 길이가 2인 막대 BP가 연결되어 있다. 점 P에서 막대 AB 또는 그 연장선에 내린 수선의 발을 H라 하고, ∠ABP=θ\displaystyle \angle\mathrm{ABP}=\theta라 두자. (단, 0<θ<π\displaystyle 0<\theta<\pi)

길이가 3인 막대 AB와 길이가 2인 막대 BP, 수선의 발 H

이때, 삼각형 ABP의 외접원의 반지름의 길이를 R\displaystyle R, 삼각형 ABP와 삼각형 AHP의 넓이를 각각 S1\displaystyle S_1, S2\displaystyle S_2라 하자.

(나) 점 B에 연결되어 있는 길이가 3인 막대 AB와 길이가 2인 막대 BP가 있다. 중심이 원점이고 반지름의 길이가 1인 원을 C1\displaystyle C_1, 중심이 (4,0)\displaystyle (4,0)이고 반지름의 길이가 2인 원을 C2\displaystyle C_2라 하자. [그림 2]와 같이 시각 t=0\displaystyle t=0일 때 점 A, 점 B, 점 P는 각각 (1,0)\displaystyle (1,0), (4,0)\displaystyle (4,0), (4,2)\displaystyle (4,2)에 위치하고, 시각 t\displaystyle t에서 [그림 3]과 같이 점 A, 점 B, 점 P는 각각 원 C1\displaystyle C_1, x\displaystyle x축, 원 C2\displaystyle C_2 위에 위치한다. 점 A의 시각 t\displaystyle t에서의 좌표는 (cos⁡t,sin⁡t)\displaystyle (\cos t,\sin t)이다. 시각 t\displaystyle t일 때 원점과 점 P 사이의 거리의 제곱을 f(t)\displaystyle f(t)라 하자. 한편, t=t0\displaystyle t=t_0일 때 직선 AB가 처음으로 원 C1\displaystyle C_1에 접한다. (단, 두 막대의 길이는 변하지 않으며 점 P는 제1사분면 위의 점이다.)

원 C₁, C₂ 위의 A, P와 x축 위의 B가 막대로 연결된 처음과 시각 t의 위치

[문제 1-1] (20점)제시문 (가)에 관한 물음에 답하시오.(1) (8점) 다음 극한을 조사하시오.lim⁡θ→π−S1S2\displaystyle \lim_{\theta\to\pi^-}\frac{S_1}{S_2}(2) (12점) π6≤θ≤5π6\displaystyle \frac\pi6\le\theta\le\frac{5\pi}6인 θ\displaystyle \theta에 대하여 R\displaystyle R이 최솟값을 가질 때 sin⁡θ\displaystyle \sin\theta의 값을 구하시오.

[문제 1-2] (30점)제시문 (나)에 관한 물음에 답하시오.(1) (8점) cos⁡t0\displaystyle \cos t_0의 값을 구하시오.(2) (12점) f′(t0)\displaystyle f^{\prime}(t_0)의 값을 구하시오.(3) (10점) 점 P가 나타내는 도형은 원의 일부이다. 그 길이를 구하시오.

해설강의 준비중
+5점 · S1\displaystyle S_1, S2\displaystyle S_2의 식을 올바르게 구하면

[문제 1-1](1) 삼각형의 넓이 공식에 의하여 S1=12⋅3⋅2⋅sin⁡θ=3sin⁡θ\displaystyle S_1=\frac12\cdot3\cdot2\cdot\sin\theta=3\sin\theta이다.그리고 삼각비에 의하여 S2=12⋅(3+2cos⁡(π−θ))⋅(2sin⁡(π−θ))=(3−2cos⁡θ)sin⁡θ\displaystyle S_2=\frac12\cdot(3+2\cos(\pi-\theta))\cdot(2\sin(\pi-\theta))=(3-2\cos\theta)\sin\theta이다.

+3점 · 극한값을 올바르게 계산하면

따라서lim⁡θ→π−S1S2=lim⁡θ→π−33−2cos⁡θ=35\displaystyle \lim_{\theta\to\pi^-}\frac{S_1}{S_2}=\lim_{\theta\to\pi^-}\frac3{3-2\cos\theta}=\frac35이다.

QtA. 왜 넓이의 비가 35\displaystyle \frac35로 갈까?두 삼각형 ABP\displaystyle \mathrm{ABP}와 AHP\displaystyle \mathrm{AHP}는 밑변을 각각 AB‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}, AH‾\displaystyle \overline{\mathrm{AH}}로 잡으면 높이가 모두 PH‾\displaystyle \overline{\mathrm{PH}}의 길이이다. 따라서S1S2=AB‾AH‾\displaystyle \frac{S_1}{S_2}=\frac{\overline{\mathrm{AB}}}{\overline{\mathrm{AH}}}이다.θ→π−\displaystyle \theta\to\pi^-일 때 두 막대가 A\displaystyle \mathrm A, B\displaystyle \mathrm B, P\displaystyle \mathrm P 순서로 펴지므로 AH‾→3+2=5\displaystyle \overline{\mathrm{AH}}\to3+2=5이다. 그러므로 넓이의 비는 35\displaystyle \frac35로 간다.

+3점 · b\displaystyle b의 길이를 올바르게 구하면

(2) b=AP‾\displaystyle b=\overline{\mathrm{AP}}라 하자. 코사인 법칙에 의하여b2=32+22−2⋅3⋅2⋅cos⁡θ=13−12cos⁡θ\displaystyle b^2=3^2+2^2-2\cdot3\cdot2\cdot\cos\theta=13-12\cos\theta이고,

+3점 · R\displaystyle R의 식을 올바르게 구하면

사인 법칙에 의하여bsin⁡θ=2R, 즉 R=13−12cos⁡θ2sin⁡θ\displaystyle \frac b{\sin\theta}=2R,\text{ 즉 }R=\frac{\sqrt{13-12\cos\theta}}{2\sin\theta}이다.

+6점 · R\displaystyle R이 최솟값을 가질 때의 sin⁡θ\displaystyle \sin\theta의 값을 올바르게 구하면

따라서dRdθ=12⋅12sin⁡θ213−12cos⁡θsin⁡θ−13−12cos⁡θcos⁡θsin⁡2θ=12⋅6sin⁡2θ−(13−12cos⁡θ)cos⁡θsin⁡2θ13−12cos⁡θ=6cos⁡2θ−13cos⁡θ+62sin⁡2θ13−12cos⁡θ=(2cos⁡θ−3)(3cos⁡θ−2)2sin⁡2θ13−12cos⁡θ\displaystyle \begin{aligned}\frac{dR}{d\theta}&=\frac12\cdot\frac{\frac{12\sin\theta}{2\sqrt{13-12\cos\theta}}\sin\theta-\sqrt{13-12\cos\theta}\cos\theta}{\sin^2\theta}\\&=\frac12\cdot\frac{6\sin^2\theta-(13-12\cos\theta)\cos\theta}{\sin^2\theta\sqrt{13-12\cos\theta}}\\&=\frac{6\cos^2\theta-13\cos\theta+6}{2\sin^2\theta\sqrt{13-12\cos\theta}}\\&=\frac{(2\cos\theta-3)(3\cos\theta-2)}{2\sin^2\theta\sqrt{13-12\cos\theta}}\end{aligned}이다. 이로부터 R\displaystyle R은 cos⁡θ=23\displaystyle \cos\theta=\frac23일 때 최솟값을 가짐을 알 수 있다. 그러므로 sin⁡θ=53\displaystyle \sin\theta=\frac{\sqrt5}3이다.

+3점 · 삼각형 OAB가 직각삼각형임을 관찰하면

[문제 1-2] (1) 직선 AB가 원에 접할 때 두 직선 OA와 AB는 수직이다. 즉, 삼각형 OAB는 직각삼각형이다.

+2점 · OB의 길이를 올바르게 구하면

피타고라스 정리로부터 빗변 OB의 길이는 10\displaystyle \sqrt{10}이다.

+3점 · cos⁡t0\displaystyle \cos t_0의 값을 올바르게 구하면

따라서 cos⁡t0=110\displaystyle \cos t_0=\frac1{\sqrt{10}}임을 알 수 있다.

직선 AB가 단위원에 접할 때 직각삼각형 OAB와 각 t₀
+3점 · 시각 t\displaystyle t일 때 점 B의 x\displaystyle x좌표를 올바르게 구하면

(2) 시각 t\displaystyle t일 때 점 B의 x\displaystyle x좌표는 α=cos⁡t+9−sin⁡2t\displaystyle \alpha=\cos t+\sqrt{9-\sin^2t}이고,

+3점 · 시각 t\displaystyle t일 때 점 P의 x\displaystyle x좌표를 올바르게 구하면

점 P는 원 (x−4)2+y2=4\displaystyle (x-4)^2+y^2=4와 원 (x−α)2+y2=4\displaystyle (x-\alpha)^2+y^2=4의 교점이다. 따라서 점 P의 x\displaystyle x좌표는 α+42\displaystyle \frac{\alpha+4}{2}이다.

+3점 · f(t)\displaystyle f(t)를 올바르게 구하면

점 P는 원 C2\displaystyle C_2 위의 점이므로f(t)=x2+y2=8x−12=4α+4=4(cos⁡t+9−sin⁡2t)\displaystyle f(t)=x^2+y^2=8x-12=4\alpha+4=4(\cos t+\sqrt{9-\sin^2t})Correction. 마지막 식에 +4\displaystyle +4가 빠졌다. f(t)=4(cos⁡t+9−sin⁡2t)+4\displaystyle f(t)=4(\cos t+\sqrt{9-\sin^2t})+4이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이고f′(t)=−4sin⁡t−4sin⁡tcos⁡t9−sin⁡2t\displaystyle f^{\prime}(t)=-4\sin t-\frac{4\sin t\cos t}{\sqrt{9-\sin^2t}}이다.

+3점 · f′(t0)\displaystyle f^{\prime}(t_0)의 값을 올바르게 계산하면

[문제 1-2] (1)로부터 cos⁡t0=110\displaystyle \cos t_0=\frac1{\sqrt{10}}, sin⁡t0=310\displaystyle \sin t_0=\frac3{\sqrt{10}}이므로f′(t0)=−4⋅310(1+19)=−4103\displaystyle f^{\prime}(t_0)=-4\cdot\frac3{\sqrt{10}}\left(1+\frac19\right)=-\frac{4\sqrt{10}}3이다.

+3점 · g(t)\displaystyle g(t)를 올바르게 구하면

(3) 시각 t\displaystyle t에서의 점 P의 x\displaystyle x좌표를 g(t)\displaystyle g(t)라 하면g(t)=α2+2=cos⁡t+9−sin⁡2t2+2\displaystyle g(t)=\frac\alpha2+2=\frac{\cos t+\sqrt{9-\sin^2t}}2+2이다.

+4점 · g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값과 최댓값을 올바르게 구하면

g′(t)=−sin⁡t−sin⁡tcos⁡t9−sin⁡2t=−sin⁡t(9−sin⁡2t+cos⁡t)9−sin⁡2t\displaystyle g^{\prime}(t)=-\sin t-\frac{\sin t\cos t}{\sqrt{9-\sin^2t}}=-\frac{\sin t(\sqrt{9-\sin^2t}+\cos t)}{\sqrt{9-\sin^2t}}Correction. g′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)를 구한 식에 계수 12\displaystyle \frac12이 빠졌다. 도함수의 부호와 구하는 호의 길이에는 영향이 없다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이므로 g(t)\displaystyle g(t)의 최솟값은 g(π)=3\displaystyle g(\pi)=3, 최댓값은 g(0)=4\displaystyle g(0)=4이다.

+3점 · 점 P가 나타내는 도형의 길이를 올바르게 구하면

따라서 점 P가 나타내는 도형은 중심각의 크기가 π6\displaystyle \frac\pi6인 호이고, 그 길이는 2⋅π6=π3\displaystyle 2\cdot\frac\pi6=\frac\pi3이다.

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