수리논술, 이게 다다.

약학과 1번

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문제

[문항 1] 제시문 (ㄱ)~(ㅁ)을 읽고 논제에 답하시오. (170점)

(ㄱ) 좌표평면 위를 움직이는 점 P(x,y)\displaystyle \mathrm{P}(x,y)의 시각 t  (t≥0)\displaystyle t\;(t\geq0)에서의 위치는 다음과 같다.

x=2sin⁡t−(2t−π)cos⁡ty=2cos⁡t+(2t−π)sin⁡t\displaystyle \begin{aligned}x&=2\sin t-(2t-\pi)\cos t\\y&=2\cos t+(2t-\pi)\sin t\end{aligned}

(ㄴ) 제시문 (ㄱ)의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서 x\displaystyle x축과 y\displaystyle y축에 내린 수선의 발을 각각 Q\displaystyle \mathrm{Q}와 R\displaystyle \mathrm{R}이라고 하면, 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 움직일 때 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}는 x\displaystyle x축 위에서 직선 운동을 하고 점 R\displaystyle \mathrm{R}은 y\displaystyle y축 위에서 직선 운동을 한다.

(ㄷ) 양수 a\displaystyle a에 대하여 제시문 (ㄱ)의 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 시각 t=a\displaystyle t=a에서의 속력은 시각 t=0\displaystyle t=0에서의 속력의 3\displaystyle 3배이다. 이때 실수 s\displaystyle s는 다음과 같다.

s\displaystyle s는 t=0\displaystyle t=0에서 t=a\displaystyle t=a까지 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 움직인 거리이다.

(ㄹ) 양수 b\displaystyle b에 대하여 제시문 (ㄴ)의 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}는 시각 t=0\displaystyle t=0일 때 출발하여 시각 t=b\displaystyle t=b에서 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 운동 방향을 두 번째로 바꾼다. 이때 실수 d\displaystyle d는 다음과 같다.

d\displaystyle d는 t=0\displaystyle t=0에서 t=b\displaystyle t=b까지 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}가 움직인 거리이다.

(ㅁ) 양수 c\displaystyle c에 대하여 제시문 (ㄴ)의 점 R\displaystyle \mathrm{R}은 시각 t=0\displaystyle t=0일 때 출발하여 시각 t=c\displaystyle t=c에서 R\displaystyle \mathrm{R}의 운동 방향을 두 번째로 바꾼다. 이때 실수 l\displaystyle l은 다음과 같다.

l\displaystyle l은 t=0\displaystyle t=0에서 t=c\displaystyle t=c까지 점 R\displaystyle \mathrm{R}이 움직인 거리이다.

논제. (170점) 제시문 (ㄷ)~(ㅁ)의 s,d,l\displaystyle s,d,l의 값을 각각 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+40점

점 P  (x,y)\displaystyle \mathrm{P}\;(x,y)에 대하여 dxdt=(2t−π)sin⁡t,  dydt=(2t−π)cos⁡t\displaystyle \frac{dx}{dt}=(2t-\pi)\sin t,\;\frac{dy}{dt}=(2t-\pi)\cos t이므로, 시간 t\displaystyle t에서 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 속력은 다음과 같다.(dxdt)2+(dydt)2={(2t−π)sin⁡t}2+{(2t−π)cos⁡t}2=(2t−π)2=∣2t−π∣\displaystyle \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}=\sqrt{\{(2t-\pi)\sin t\}^2+\{(2t-\pi)\cos t\}^2}=\sqrt{(2t-\pi)^2}=|2t-\pi|점 P\displaystyle \mathrm{P}의 t=0\displaystyle t=0에서 속력은 ∣2t−π∣=π\displaystyle |2t-\pi|=\pi이고, t=a\displaystyle t=a에서의 속력은 ∣2a−π∣=3π\displaystyle |2a-\pi|=3\pi이므로 a=2π\displaystyle a=2\pi이다. 따라서 s\displaystyle s는 다음과 같다.s=∫02π∣2t−π∣ dt=∫0π/2(π−2t)dt+∫π/22π(2t−π)dt=[πt−t2]0π/2+[t2−πt]π/22π=52π2\displaystyle \begin{aligned}s&=\int_0^{2\pi}|2t-\pi|\,dt=\int_0^{\pi/2}(\pi-2t)dt+\int_{\pi/2}^{2\pi}(2t-\pi)dt\\&=\Biggl[\pi t-t^2\Biggr]_0^{\pi/2}+\Biggl[t^2-\pi t\Biggr]_{\pi/2}^{2\pi}=\frac52\pi^2\end{aligned}

+50점

시간 t\displaystyle t에서 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 속도는 v(t)=(2t−π)sin⁡t\displaystyle v(t)=(2t-\pi)\sin t이고, 점 R\displaystyle \mathrm{R}의 속도는 u(t)=(2t−π)cos⁡t\displaystyle u(t)=(2t-\pi)\cos t이다.수직선을 따라 움직이는 점의 운동에서 속도의 부호는 점의 운동 방향을 나타내므로 두 점의 속도의 부호가 바뀌는 시각, 즉 운동 방향을 바꾸는 시간은 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}에 대하여 π2,π,2π,⋯\displaystyle \frac\pi2,\pi,2\pi,\cdots이고, 점 R\displaystyle R에 대하여 32π,52π,72π⋯\displaystyle \frac32\pi,\frac52\pi,\frac72\pi\cdots이다. 따라서 b=π,  c=52π\displaystyle b=\pi,\;c=\frac52\pi이다.

+40점

그러므로 d\displaystyle d는d=∫0π∣(2t−π)sin⁡t∣dt=∫0π/2(π−2t)sin⁡t dt+∫π/2π(2t−π)sin⁡t dt=−2{∫0π/2tsin⁡t dt−∫π/2πtsin⁡t dt}\displaystyle \begin{aligned}d&=\int_0^\pi|(2t-\pi)\sin t|dt=\int_0^{\pi/2}(\pi-2t)\sin t\,dt+\int_{\pi/2}^\pi(2t-\pi)\sin t\,dt\\&=-2\left\{\int_0^{\pi/2}t\sin t\,dt-\int_{\pi/2}^\pi t\sin t\,dt\right\}\end{aligned}이고, 부분적분법을 이용하면, ∫tsin⁡t dt=t(−cos⁡t)−∫(−cos⁡t)dt=−tcos⁡t+sin⁡t\displaystyle \int t\sin t\,dt=t(-\cos t)-\int(-\cos t)dt=-t\cos t+\sin t이므로,d=−2{[−tcos⁡t+sin⁡t]0π/2+[tcos⁡t−sin⁡t]π/2π}=2π−4\displaystyle d=-2\left\{\Biggl[-t\cos t+\sin t\Biggr]_0^{\pi/2}+\Biggl[t\cos t-\sin t\Biggr]_{\pi/2}^{\pi}\right\}=2\pi-4이다.

+40점

또한 l\displaystyle l은l=∫05π/2∣(2t−π)cos⁡t∣dt=∫03π/2(π−2t)cos⁡t dt+∫3π/25π/2(2t−π)cos⁡t dt=−3π−2{∫03π/2tcos⁡t dt−∫3π/25π/2tcos⁡t dt}\displaystyle \begin{aligned}l&=\int_0^{5\pi/2}|(2t-\pi)\cos t|dt=\int_0^{3\pi/2}(\pi-2t)\cos t\,dt+\int_{3\pi/2}^{5\pi/2}(2t-\pi)\cos t\,dt\\&=-3\pi-2\left\{\int_0^{3\pi/2}t\cos t\,dt-\int_{3\pi/2}^{5\pi/2}t\cos t\,dt\right\}\end{aligned}이고, 부분적분법을 이용하면, ∫tcos⁡t dt=tsin⁡t−∫sin⁡t dt=tsin⁡t+cos⁡t\displaystyle \int t\cos t\,dt=t\sin t-\int\sin t\,dt=t\sin t+\cos t이므로,l=−3π−2{[tsin⁡t+cos⁡t]03π/2−[tsin⁡t+cos⁡t]3π/25π/2}=8π+2\displaystyle l=-3\pi-2\left\{\Biggl[t\sin t+\cos t\Biggr]_0^{3\pi/2}-\Biggl[t\sin t+\cos t\Biggr]_{3\pi/2}^{5\pi/2}\right\}=8\pi+2이다.

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