수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · 좌표평면 위의 세 점 P,Q,R\displaystyle \mathrm P,\mathrm Q,\mathrm R의 좌표를 각각 (x,y),  (x,y),  (a,b)\displaystyle (x,y),\;(x^{\prime},y^{\prime}),\;(a,b)라고 하자. 점 P\displaystyle \mathrm PQ\displaystyle \mathrm Q가 직선 y=3x\displaystyle y=\sqrt3x에 대하여 대칭이므로 실수 x,y,x,y\displaystyle x,y,x^{\prime},y^{\prime}는 다음의 두 식을 만족한다.yyxx=13,y+y2=3(x+x2)\displaystyle \frac{y^{\prime}-y}{x^{\prime}-x}=-\frac1{\sqrt3},\quad\frac{y+y^{\prime}}2=\sqrt3\left(\frac{x+x^{\prime}}2\right)그러므로 점 Q\displaystyle \mathrm Q의 좌표를 x,y\displaystyle x,y로 나타내면 다음과 같다.Q=(x,y)=(12x+32y,32x+12y)\displaystyle \mathrm Q=(x^{\prime},y^{\prime})=\left(-\frac12x+\frac{\sqrt3}2y,\frac{\sqrt3}2x+\frac12y\right)PO+OQ=PQ=OR\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PO}}+\overrightarrow{\mathrm{OQ}}=\overrightarrow{\mathrm{PQ}}=\overrightarrow{\mathrm{OR}}로 부터, 점 R\displaystyle \mathrm R의 좌표는 다음과 같다.R=(a,b)=(32x+32y,32x12y)\displaystyle \mathrm R=(a,b)=\left(-\frac32x+\frac{\sqrt3}2y,\frac{\sqrt3}2x-\frac12y\right)

좌표평면 위의 세 점 P,Q,R\displaystyle \mathrm P,\mathrm Q,\mathrm R의 좌표를 각각 (x,y),  (x,y),  (a,b)\displaystyle (x,y),\;(x^{\prime},y^{\prime}),\;(a,b)라고 하자. 점 P\displaystyle \mathrm PQ\displaystyle \mathrm Q가 직선 y=3x\displaystyle y=\sqrt3x에 대하여 대칭이므로 실수 x,y,x,y\displaystyle x,y,x^{\prime},y^{\prime}는 다음의 두 식을 만족한다.yyxx=13,y+y2=3(x+x2)\displaystyle \frac{y^{\prime}-y}{x^{\prime}-x}=-\frac1{\sqrt3},\quad\frac{y+y^{\prime}}2=\sqrt3\left(\frac{x+x^{\prime}}2\right)그러므로 점 Q\displaystyle \mathrm Q의 좌표를 x,y\displaystyle x,y로 나타내면 다음과 같다.Q=(x,y)=(12x+32y,32x+12y)\displaystyle \mathrm Q=(x^{\prime},y^{\prime})=\left(-\frac12x+\frac{\sqrt3}2y,\frac{\sqrt3}2x+\frac12y\right)PO+OQ=PQ=OR\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PO}}+\overrightarrow{\mathrm{OQ}}=\overrightarrow{\mathrm{PQ}}=\overrightarrow{\mathrm{OR}}로 부터, 점 R\displaystyle \mathrm R의 좌표는 다음과 같다.R=(a,b)=(32x+32y,32x12y)\displaystyle \mathrm R=(a,b)=\left(-\frac32x+\frac{\sqrt3}2y,\frac{\sqrt3}2x-\frac12y\right)

+5점 · 한편, 32x12y=13(32x+32y)\displaystyle \frac{\sqrt3}2x-\frac12y=-\frac1{\sqrt3}\left(-\frac32x+\frac{\sqrt3}2y\right)이므로 실수 a,b\displaystyle a,b는 다음을 만족한다.b=13a\displaystyle b=-\frac1{\sqrt3}a

한편, 32x12y=13(32x+32y)\displaystyle \frac{\sqrt3}2x-\frac12y=-\frac1{\sqrt3}\left(-\frac32x+\frac{\sqrt3}2y\right)이므로 실수 a,b\displaystyle a,b는 다음을 만족한다.b=13a\displaystyle b=-\frac1{\sqrt3}a

+10점 · P\displaystyle \mathrm P가 원 C\displaystyle C위에 있으므로, 원 C\displaystyle C와 직선 32x+32y=a\displaystyle -\frac32x+\frac{\sqrt3}2y=a는 교점을 가져야 한다. 점과 직선사이의 거리 공식으로부터 실수 a\displaystyle a의 범위는 다음과 같다.32ca34c2+1c    32c3(4c2+1c)a32c+3(4c2+1c)\displaystyle \frac{\left|\frac{\sqrt3}2c-a\right|}{\sqrt3}\le4c^2+\frac1c\;\Rightarrow\;\frac{\sqrt3}2c-\sqrt3\left(4c^2+\frac1c\right)\le a\le\frac{\sqrt3}2c+\sqrt3\left(4c^2+\frac1c\right)

P\displaystyle \mathrm P가 원 C\displaystyle C위에 있으므로, 원 C\displaystyle C와 직선 32x+32y=a\displaystyle -\frac32x+\frac{\sqrt3}2y=a는 교점을 가져야 한다. 점과 직선사이의 거리 공식으로부터 실수 a\displaystyle a의 범위는 다음과 같다.32ca34c2+1c    32c3(4c2+1c)a32c+3(4c2+1c)\displaystyle \frac{\left|\frac{\sqrt3}2c-a\right|}{\sqrt3}\le4c^2+\frac1c\;\Rightarrow\;\frac{\sqrt3}2c-\sqrt3\left(4c^2+\frac1c\right)\le a\le\frac{\sqrt3}2c+\sqrt3\left(4c^2+\frac1c\right)

+5점 · P\displaystyle \mathrm P가 원 C\displaystyle C위를 시계방향으로 한 바퀴 돌 때, 점 R\displaystyle \mathrm R은 다음의 선분을 한번 왕복한다.y=13x,  (32c3(4c2+1c)x32c+3(4c2+1c))\displaystyle y=-\frac1{\sqrt3}x,\;\left(\frac{\sqrt3}2c-\sqrt3\left(4c^2+\frac1c\right)\le x\le\frac{\sqrt3}2c+\sqrt3\left(4c^2+\frac1c\right)\right)그러므로 제시문 (ㄹ)의 l\displaystyle l은 다음과 같다.l=2×23×23(4c2+1c)=8(4c2+1c)\displaystyle l=2\times\frac2{\sqrt3}\times2\sqrt3\left(4c^2+\frac1c\right)=8\left(4c^2+\frac1c\right)

P\displaystyle \mathrm P가 원 C\displaystyle C위를 시계방향으로 한 바퀴 돌 때, 점 R\displaystyle \mathrm R은 다음의 선분을 한번 왕복한다.y=13x,  (32c3(4c2+1c)x32c+3(4c2+1c))\displaystyle y=-\frac1{\sqrt3}x,\;\left(\frac{\sqrt3}2c-\sqrt3\left(4c^2+\frac1c\right)\le x\le\frac{\sqrt3}2c+\sqrt3\left(4c^2+\frac1c\right)\right)그러므로 제시문 (ㄹ)의 l\displaystyle l은 다음과 같다.Correction. 이동거리 l\displaystyle l을 정의한 제시문 (ㄹ)은 (ㄴ)의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.l=2×23×23(4c2+1c)=8(4c2+1c)\displaystyle l=2\times\frac2{\sqrt3}\times2\sqrt3\left(4c^2+\frac1c\right)=8\left(4c^2+\frac1c\right)

+5점 · x>0\displaystyle x>0인 실수에 대하여 함수 g(x)=8(4x2+1x)\displaystyle g(x)=8\left(4x^2+\frac1x\right)라고 하자. g(x)=8(8x1x2)\displaystyle g^{\prime}(x)=8\left(8x-\frac1{x^2}\right)이므로, x>12\displaystyle x>\frac12인 모든 x\displaystyle x에 대하여 g(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0이다. 그러므로 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 구간 [1,3]\displaystyle [1,3]에서 증가한다.

x>0\displaystyle x>0인 실수에 대하여 함수 g(x)=8(4x2+1x)\displaystyle g(x)=8\left(4x^2+\frac1x\right)라고 하자. g(x)=8(8x1x2)\displaystyle g^{\prime}(x)=8\left(8x-\frac1{x^2}\right)이므로, x>12\displaystyle x>\frac12인 모든 x\displaystyle x에 대하여 g(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0이다. 그러므로 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 구간 [1,3]\displaystyle [1,3]에서 증가한다.

+5점 · 따라서 제시문 (ㄹ)의 상수 l\displaystyle lc=1\displaystyle c=1에서 최솟값 40\displaystyle 40을 갖는다.

따라서 제시문 (ㄹ)의 상수 l\displaystyle lc=1\displaystyle c=1에서 최솟값 40\displaystyle 40을 갖는다.

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