수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+4점 · (1) 기울기 f(t)\displaystyle f(t)3\displaystyle -3임을 관찰하여 52+sin2πt=3\displaystyle -\frac52+\sin2\pi t=-3을 쓴 경우

[문제 2-1](1) 점 B의 좌표가 (102,0)\displaystyle \left(\frac{\sqrt{10}}2,0\right)이고 점 A는 직선 1\displaystyle \ell_1y\displaystyle y축의 교점이므로 직선 1\displaystyle \ell_1의 기울기 f(t)\displaystyle f(t)3\displaystyle -3일 때 AB=5\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=5임을 알 수 있다. 0t2\displaystyle 0\le t\le2인 실수 t\displaystyle t에서 14t2>3\displaystyle -\frac14t-2>-3이므로 52+sin2πt=3\displaystyle -\frac52+\sin2\pi t=-3을 만족시키는 t\displaystyle t의 값을 2<t4\displaystyle 2<t\le4 범위에서 모두 구하면 된다.

+4점 · (2) 이를 이용하여 t\displaystyle t 구함

따라서 t=3112\displaystyle t=\frac{31}{12}, t=3512\displaystyle t=\frac{35}{12}, t=4312\displaystyle t=\frac{43}{12}, t=4712\displaystyle t=\frac{47}{12}이다.

+2점 · (1) 점 A와 P의 좌표를 구함

(2) 각 ABP의 크기를 β\displaystyle \beta라 하자. t=0\displaystyle t=0일 때, 점 A, B, P의 좌표는 각각 (0,25)\displaystyle (0,2\sqrt5), (5,0)\displaystyle (\sqrt5,0), (5+s17,4s17)\displaystyle \left(\sqrt5+\frac s{\sqrt{17}},\frac{4s}{\sqrt{17}}\right)이므로

+4점 · (2) tanβ\displaystyle \tan\beta를 구하고 sinβ\displaystyle \sin\beta를 구함

tanβ=(2)41+(2)×4=67,\displaystyle \tan\beta=\frac{(-2)-4}{1+(-2)\times4}=\frac67,sinβ=685,\displaystyle \sin\beta=\frac6{\sqrt{85}},AP=(5+s17)2+(254s17)2\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}=\sqrt{\left(\sqrt5+\frac s{\sqrt{17}}\right)^2+\left(2\sqrt5-\frac{4s}{\sqrt{17}}\right)^2}임을 알 수 있다.

+4점 · (3) R\displaystyle R을 구하고 극한값을 올바르게 구함

사인법칙에 의해R=AP2sinβ=8512(5+s17)2+(254s17)2\displaystyle R=\frac{\overline{\mathrm{AP}}}{2\sin\beta}=\frac{\sqrt{85}}{12}\sqrt{\left(\sqrt5+\frac s{\sqrt{17}}\right)^2+\left(2\sqrt5-\frac{4s}{\sqrt{17}}\right)^2}이다. 따라서lims0+R=8512lims0+(5+s17)2+(254s17)2=58512\displaystyle \lim_{s\to0^+}R=\frac{\sqrt{85}}{12}\lim_{s\to0^+}\sqrt{\left(\sqrt5+\frac s{\sqrt{17}}\right)^2+\left(2\sqrt5-\frac{4s}{\sqrt{17}}\right)^2}=\frac{5\sqrt{85}}{12}이다.

(3) (2)에서 정의된 β\displaystyle \beta에 대해tanβ=f(t)g(t)1+f(t)g(t)(0t4)\displaystyle \tan\beta=\frac{f(t)-g(t)}{1+f(t)g(t)}\quad(0\le t\le4)이다.

+3점 · (1) 0t2\displaystyle 0\le t\le2인 경우 tanβ\displaystyle \tan\beta의 최솟값을 올바르게 구함

0t2\displaystyle 0\le t\le2인 경우tanβ=(14t2)41+(14t2)×4=14(1+17t+7)\displaystyle \tan\beta=\frac{\left(-\frac14t-2\right)-4}{1+\left(-\frac14t-2\right)\times4}=\frac14\left(1+\frac{17}{t+7}\right)이다. 닫힌구간 [0,2]\displaystyle [0,2]에서14(1+17t+7)14(1+172+7)=1318\displaystyle \frac14\left(1+\frac{17}{t+7}\right)\ge\frac14\left(1+\frac{17}{2+7}\right)=\frac{13}{18}이므로 tanβ1318\displaystyle \tan\beta\ge\frac{13}{18}이다.

+3점 · (2) 2<t3\displaystyle 2<t\le3인 경우 tanβ\displaystyle \tan\beta의 최솟값을 올바르게 구함

2<t3\displaystyle 2<t\le3인 경우tanβ=(52+sin2πt)41+(52+sin2πt)×4=14(1+1794sin2πt)\displaystyle \tan\beta=\frac{\left(-\frac52+\sin2\pi t\right)-4}{1+\left(-\frac52+\sin2\pi t\right)\times4}=\frac14\left(1+\frac{17}{9-4\sin2\pi t}\right)이고4sin2πt4sin(2π×114)=4\displaystyle 4\sin2\pi t\ge4\sin\left(2\pi\times\frac{11}4\right)=-4이므로 tanβ1526\displaystyle \tan\beta\ge\frac{15}{26}이다.

+4점 · (3) 3<t4\displaystyle 3<t\le4인 경우 tanβ\displaystyle \tan\beta의 최솟값을 올바르게 구함

3<t4\displaystyle 3<t\le4인 경우tanβ=(52)41+(52+sin2πt)×(4+sin2πt)=132sin22πt32sin2πt+9\displaystyle \tan\beta=\frac{\left(-\frac52\right)-4}{1+\left(-\frac52+\sin2\pi t\right)\times(4+\sin2\pi t)}=\frac{\frac{13}2}{-\sin^22\pi t-\frac32\sin2\pi t+9}이고sin22πt32sin2πt+9=(sin2πt+34)2+1531615316\displaystyle -\sin^22\pi t-\frac32\sin2\pi t+9=-\left(\sin2\pi t+\frac34\right)^2+\frac{153}{16}\le\frac{153}{16}이므로 tanβ104153\displaystyle \tan\beta\ge\frac{104}{153}이다.

+2점 · (4) 답을 올바르게 구함

①, ②, ③으로부터 tanβ>0\displaystyle \tan\beta>0이므로 β\displaystyle \beta는 예각임을 알 수 있다. 각 ABP의 크기 β\displaystyle \beta의 최솟값이 θ\displaystyle \theta이므로 tanθ=1526\displaystyle \tan\theta=\frac{15}{26}이다.

+4점 · (1) 두 직선이 이루는 각 α\displaystyle \alpha를 올바르게 구함

[문제 2-2](1) 점 (0,5)\displaystyle (0,-5)를 지나고 기울기 m\displaystyle m2\displaystyle 2, 538\displaystyle 5\sqrt3-8인 직선을 각각 L1\displaystyle L_1, L2\displaystyle L_2라 하자. 두 직선이 이루는 예각의 크기를 α\displaystyle \alpha라 하면tanα=2(538)1+2(538)=23233=33\displaystyle \tan\alpha=\frac{2-(5\sqrt3-8)}{1+2(5\sqrt3-8)}=\frac{2-\sqrt3}{2\sqrt3-3}=\frac{\sqrt3}3이다.

+4점 · (2) 원주각의 성질을 이용하여 Q1OQ2\displaystyle \angle\mathrm{Q}_1\mathrm{OQ}_2을 구하고 호의 길이를 구함

따라서 Q1OQ2=π3\displaystyle \angle\mathrm{Q}_1\mathrm{OQ}_2=\frac\pi3이고 호의 길이는 5×π3=53π\displaystyle 5\times\frac\pi3=\frac53\pi이다.

+4점 · (1) 접점 Q를 구하여 접선의 방정식을 올바르게 구함

(2) 점 (0,5)\displaystyle (0,-5)를 지나고 기울기 m\displaystyle m인 직선의 방정식은 y=mx5\displaystyle y=mx-5이므로 점 Q의 좌표는 (10m1+m2,5(m21)1+m2)\displaystyle \left(\frac{10m}{1+m^2},\frac{5(m^2-1)}{1+m^2}\right)이다. 원 C\displaystyle C 위의 점 Q에서의 접선의 방정식은10m1+m2x+5(m21)1+m2y=25\displaystyle \frac{10m}{1+m^2}x+\frac{5(m^2-1)}{1+m^2}y=25이고,

+4점 · (2) 삼각형의 넓이 S(m)\displaystyle S(m)을 올바르게 구함

S(m)=12×5(1+m2)2m×5(1+m2)m21=25(m2+1)24m(m21)\displaystyle S(m)=\frac12\times\frac{5(1+m^2)}{2m}\times\frac{5(1+m^2)}{m^2-1}=\frac{25(m^2+1)^2}{4m(m^2-1)}Comment. 구하는 극한값에는 영향이 없지만, 이 넓이식은 m>1\displaystyle m>1일 때 성립한다. 0<m<1\displaystyle 0<m<1까지 포함하면 분모의 m21\displaystyle m^2-1에 절댓값을 붙여야 한다.이다.

+4점 · (3) α\displaystyle \alpha와 극한값을 올바르게 구함

따라서 limmS(m)mα\displaystyle \lim_{m\to\infty}\frac{S(m)}{m^\alpha}0\displaystyle 0이 아닌 실수로 존재하기 위한 α\displaystyle \alpha의 값은 1\displaystyle 1이고 이때의 극한값은 254\displaystyle \frac{25}4이다.

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