수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

1. [제시문 1] ~ [제시문 4]를 읽고 문제(논제 1, 논제 2)에 답하시오.(40점)

[제시문 1] 연립방정식 {ax+by=λxcx+dy=λy\displaystyle \begin{cases}ax+by=\lambda x\\cx+dy=\lambda y\end{cases}를 행렬을 이용하여 표현하면 (abcd)(xy)=λ(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=\lambda\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}이고, 이 연립방정식이 x=y=0\displaystyle x=y=0 이외의 해를 갖기 위한 조건은 (a−λ)(d−λ)−bc=0\displaystyle (a-\lambda)(d-\lambda)-bc=0이다. 예를 들어, 연립방정식 (1423)(xy)=λ(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}1&4\\2&3\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=\lambda\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}이 x=y=0\displaystyle x=y=0 이외의 해를 갖기 위해서는 (1−λ)(3−λ)−8=0\displaystyle (1-\lambda)(3-\lambda)-8=0, 즉 λ=5\displaystyle \lambda=5 혹은 λ=−1\displaystyle \lambda=-1이어야 한다. λ=5\displaystyle \lambda=5인 경우에는 연립방정식이 (1423)(xy)=5(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}1&4\\2&3\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=5\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}가 되어 x=y\displaystyle x=y를 만족하는 모든 (x,y)\displaystyle (x,y)가 해가 되며, λ=−1\displaystyle \lambda=-1인 경우에는 연립방정식이 (1423)(xy)=−(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}1&4\\2&3\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=-\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}가 되어 x=−2y\displaystyle x=-2y를 만족하는 모든 (x,y)\displaystyle (x,y)가 해가 된다.

[제시문 2] 용수철이 힘을 받아 길이가 변화하였을 때 원래 상태로 되돌아가려는 탄성력 f\displaystyle f는 용수철의 길이 변화 x\displaystyle x에 비례한다. 즉, f=−kx\displaystyle f=-kx이다. 여기서 k\displaystyle k는 용수철 상수이고, (−)부호를 붙인 이유는 용수철의 탄성력이 용수철의 길이가 변한 방향과 반대 방향으로 작용하기 때문이다.

[제시문 3] 질량이 m\displaystyle m인 물체에 힘 f\displaystyle f가 작용하면 이 물체는 뉴턴의 운동방정식에 따라 가속도 a=fm\displaystyle a=\frac fm로 가속도 운동을 하게 된다. 한편, 물체의 가속도가 a=−ω2x\displaystyle a=-\omega^2x와 같이 물체의 위치변화 x\displaystyle x에 비례하게 되면 이 물체는 각진동수 ω\displaystyle \omega로 단진동한다고 말한다. 여기서 (−)부호는 가속도의 방향이 물체의 위치변화와 반대 방향임을 의미한다.

[제시문 4] <그림 1>과 같이 용수철 상수가 k\displaystyle k인 두 개의 용수철에 질량이 m\displaystyle m인 두 개의 물체가 매달려 수평 방향으로만 운동하는 경우를 생각하자. 여기서 용수철의 질량, 물체와 수평면 사이의 마찰 및 공기에 의한 저항은 무시한다. 두 물체의 평형상태의 위치, 즉 용수철의 길이가 변하지 않았을 때의 위치 O1\displaystyle O_1 및 O2\displaystyle O_2에서부터 측정한 각 물체의 위치를 x\displaystyle x 및 y\displaystyle y라고 하면, [제시문 2]에 따라 물체1에 작용하는 탄성력 f1\displaystyle f_1과 물체2에 작용하는 탄성력 f2\displaystyle f_2는 각각

{f1=−kx−k(x−y)=−2kx+kyf2=−k(y−x)=kx−ky⋯  식(1)\displaystyle \begin{cases}f_1=-kx-k(x-y)=-2kx+ky\\f_2=-k(y-x)=kx-ky\end{cases}\qquad\cdots\;\text{식(1)}

가 되며, [제시문 3]에 따라 물체1의 가속도 a1\displaystyle a_1과 물체2의 가속도 a2\displaystyle a_2는 각각

{a1=−2kmx+kmy=−ω02(2x−y)a2=kmx−kmy=−ω02(−x+y)⋯  식(2)\displaystyle \begin{cases}a_1=-2\frac kmx+\frac kmy=-\omega_0^2(2x-y)\\a_2=\frac kmx-\frac kmy=-\omega_0^2(-x+y)\end{cases}\qquad\cdots\;\text{식(2)}

가 된다.

여기서 ω0=km\displaystyle \omega_0=\sqrt{\frac km}이다. 한편, 두 물체가 같은 각진동수 ω\displaystyle \omega로 단진동하는 경우(정규모드; normal mode)에는 a1=−ω2x\displaystyle a_1=-\omega^2x, a2=−ω2y\displaystyle a_2=-\omega^2y이므로, 이를 식(2)에 적용하여

(2−1−11)(xy)=ω2ω02(xy)⋯  식(3)\displaystyle \begin{pmatrix}2&-1\\-1&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=\frac{\omega^2}{\omega_0^2}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}\qquad\cdots\;\text{식(3)}

와 같이 두 물체의 위치변화 x,y\displaystyle x,y에 대한 연립방정식을 얻게 된다.

용수철 두 개와 물체 두 개의 평형 위치 및 변위

(문제) <그림 2>와 같이 용수철 상수가 k\displaystyle k인 세 개의 용수철(①~③)에 질량이 m\displaystyle m인 두 개의 물체가 매달려 수평 방향으로만 운동하는 경우를 생각하자. [제시문 4]에서와 마찬가지로 용수철의 질량, 물체와 수평면 사이의 마찰 및 공기에 의한 저항은 무시하고, 두 물체의 평형상태의 위치 O1\displaystyle O_1 및 O2\displaystyle O_2에서부터 측정한 각 물체의 위치를 x\displaystyle x 및 y\displaystyle y라고 하자.

양쪽 벽 사이의 용수철 세 개와 물체 두 개

(논제 1) (15점) 물체1에 작용하는 탄성력 f1\displaystyle f_1과 물체2에 작용하는 탄성력 f2\displaystyle f_2를 [제시문 2]를 근거로 추론하여 식(1)과 같은 형태로 표현하시오. 또, 두 물체가 같은 각진동수 ω\displaystyle \omega로 단진동하는 경우(정규모드; normal mode)에 두 물체의 위치변화 x,y\displaystyle x,y가 만족하는 연립방정식을 식(3)과 같이 행렬을 이용하여 표현하시오.

(논제 2) (25점) [제시문 1]의 방식을 이용하여 정규모드(normal mode)의 각진동수 ω\displaystyle \omega 및 그에 따른 x,y\displaystyle x,y의 관계를 구하고, 두 물체의 운동을 간략히 묘사하시오.

해설강의 준비중
+5점

(1) 물체1에 작용하는 탄성력 f1\displaystyle f_1은 용수철①과 용수철②로부터 주어진다.(a) 용수철①에 의한 탄성력: −kx\displaystyle -kx용수철의 길이가 x\displaystyle x만큼 늘어났으므로, 길이가 줄어드는 방향, 즉 왼쪽 방향으로 힘이 작용한다(−kx\displaystyle -kx).(b) 용수철②에 의한 탄성력: −k(x−y)\displaystyle -k(x-y)용수철의 왼쪽 끝이 오른쪽으로 x\displaystyle x만큼 이동, 즉 길이가 x\displaystyle x만큼 줄어들었으므로, 길이가 늘어나게 되는 왼쪽 방향으로 힘이 작용하고(−kx\displaystyle -kx),용수철의 오른쪽 끝이 오른쪽으로 y\displaystyle y만큼 이동, 즉 길이가 y\displaystyle y만큼 늘어났으므로, 물체1의 시점에서 볼 때 용수철의 길이가 줄어들게 되는 방향, 즉 오른쪽 방향으로 힘이 작용한다(+ky\displaystyle +ky).(a), (b)를 합해서 f1=−kx−k(x−y)=−2kx+ky\displaystyle f_1=-kx-k(x-y)=-2kx+ky

+5점

(2) 물체2에 작용하는 탄성력 f2\displaystyle f_2는 용수철②와 용수철③으로부터 주어진다.(c) 용수철②에 의한 탄성력: −k(y−x)\displaystyle -k(y-x)용수철의 오른쪽 끝이 오른쪽으로 y\displaystyle y만큼 이동, 즉 길이가 y\displaystyle y만큼 늘어났으므로, 길이가 줄어들게 되는 왼쪽 방향으로 힘이 작용하고(−ky\displaystyle -ky),용수철의 왼쪽 끝이 오른쪽으로 x\displaystyle x만큼 이동, 즉 길이가 x\displaystyle x만큼 줄어들었으므로, 물체2의 시점에서 볼 때 용수철의 길이가 늘어나게 되는 방향, 즉 오른쪽 방향으로 힘이 작용한다(+kx\displaystyle +kx).(d) 용수철③에 의한 탄성력: −ky\displaystyle -ky용수철의 길이가 y\displaystyle y만큼 줄어들었으므로, 길이가 늘어나는 방향, 즉 왼쪽 방향으로 힘이 작용한다(−ky\displaystyle -ky).(c), (d)를 합해서 f2=−k(y−x)−ky=kx−2ky\displaystyle f_2=-k(y-x)-ky=kx-2ky

+5점

(3) 두 물체 모두 각진동수 ω\displaystyle \omega로 단진동한다고 했으므로 [제시문 3]에 의해a1=f1m=−ω2x,  a2=f2m=−ω2y\displaystyle a_1=\frac{f_1}m=-\omega^2x,\;a_2=\frac{f_2}m=-\omega^2y가 되고, 여기에 앞에서 구한 f1,f2\displaystyle f_1,f_2를 대입하면{a1=−2kmx+kmy=−ω02(2x−y)=−ω2xa2=kmx−2kmy=−ω02(−x+2y)=−ω2y즉{2x−y=ω2ω02x−x+2y=ω2ω02y\displaystyle \begin{cases}a_1=-2\frac kmx+\frac kmy=-\omega_0^2(2x-y)=-\omega^2x\\a_2=\frac kmx-2\frac kmy=-\omega_0^2(-x+2y)=-\omega^2y\end{cases}\quad\text{즉}\quad\begin{cases}2x-y=\frac{\omega^2}{\omega_0^2}x\\-x+2y=\frac{\omega^2}{\omega_0^2}y\end{cases}가 된다.이를 행렬을 이용하여 표현하면 (2−1−12)(xy)=ω2ω02(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}2&-1\\-1&2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=\frac{\omega^2}{\omega_0^2}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}

+5점

(1) 논제 1에서 구한 연립방정식 (2−1−12)(xy)=ω2ω02(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}2&-1\\-1&2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=\frac{\omega^2}{\omega_0^2}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}가 x=y=0\displaystyle x=y=0, 즉 두 물체가 모두 정지해 있는 경우 이외의 해를 갖기 위해서는 [제시문 1]에 따라 (2−ω2ω02)(2−ω2ω02)−1=0\displaystyle \left(2-\frac{\omega^2}{\omega_0^2}\right)\left(2-\frac{\omega^2}{\omega_0^2}\right)-1=0이어야 한다. 이를 풀면 2−ω2ω02=±1\displaystyle 2-\frac{\omega^2}{\omega_0^2}=\pm1이므로 ω2ω02=1\displaystyle \frac{\omega^2}{\omega_0^2}=1 혹은 ω2ω02=3\displaystyle \frac{\omega^2}{\omega_0^2}=3, 즉 ω=ω0\displaystyle \omega=\omega_0 혹은 ω=3ω0\displaystyle \omega=\sqrt3\omega_0이어야 한다.

+10점

(2) ω=ω0\displaystyle \omega=\omega_0인 경우: 연립방정식이 (2−1−12)(xy)=(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}2&-1\\-1&2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}이 되어 x=y\displaystyle x=y인 모든 (x,y)\displaystyle (x,y)가 해가 되고, 이는 두 물체가 ω0\displaystyle \omega_0의 각진동수로 같은 방향으로 같은 길이만큼씩 진동함을 의미한다.

+10점

(3) ω=3ω0\displaystyle \omega=\sqrt3\omega_0인 경우: 연립방정식이 (2−1−12)(xy)=3(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}2&-1\\-1&2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=3\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}이 되어 x=−y\displaystyle x=-y인 모든 (x,y)\displaystyle (x,y)가 해가 되고, 이는 두 물체가 3ω0\displaystyle \sqrt3\omega_0의 각진동수로 반대 방향으로 같은 길이만큼씩 진동함을 의미한다.

가. 기본사항

① 각 논제를 가중치를 가지고 채점하되 총점으로 환산하여 총괄평가한다. 각 논제에 배당된 점수 범위 내에서 등급이 아닌 점수로 표기하여 합산한다.

② 채점위원 2인이 1조가 되어 동일한 문항에 대해 각각 채점하고, 채점의 결과가 10점 이상의 차이가 날 경우에는 채점위원 합의로 2차 채점을 진행한다. 2차 채점에서 위원 사이에 조정이 이루어지지 않을 경우에는 3차 채점을 실시한다. 3차 채점은 출제위원을 포함한 새로운 채점위원 2인이 실시하되, 1차 채점의 상위와 하위 점수 사이의 점수를 부여한다.

나. 세부사항

① 문제의 의도를 완전히 잘못 이해했거나 각 논제와 전혀 다른 내용을 서술한 경우에는 0점으로 채점한다.

[논제 1: 15점] 탄성력 f1\displaystyle f_1과 f2\displaystyle f_2를 [제시문 2]를 근거로 올바르게 추론하여 찾은 경우 10점, x\displaystyle x와 y\displaystyle y가 만족하는 연립방정식을 식(3)과 같이 행렬을 이용하여 바르게 표현한 경우 5점을 부여하되, 추론과정에 오류가 있거나 계산과정에 실수가 있을 때에는 주어진 점수 범위 내에서 감점하도록 한다.

[논제 2: 25점] 정규모드의 각진동수 ω\displaystyle \omega를 옳게 구하면 5점, 각진동수에 따른 x\displaystyle x와 y\displaystyle y의 관계를 옳게 구하면 10점, 두 물체의 운동을 옳게 묘사하면 10점을 부여하되, 계산과정에 실수가 있거나 운동에 대한 묘사가 명확하지 않을 때에는 주어진 점수 범위 내에서 감점하도록 한다.

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