수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 3-2번

문제

[문제 3] 다음을 읽고 문제에 답하시오.

● 좌표평면 위를 움직이는 점 P의 시각 t\displaystyle t에서의 위치 (x,y)\displaystyle (x,y)가 x=f(t)\displaystyle x=f(t), y=g(t)\displaystyle y=g(t)일 때, 속력은 (f′(t))2+(g′(t))2\displaystyle \sqrt{(f^{\prime}(t))^2+(g^{\prime}(t))^2}이다.

● 직선 y=mx+n\displaystyle y=mx+n이 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 θ\displaystyle \theta라고 하면 tan⁡θ=m\displaystyle \tan\theta=m이다.

● 각 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta에 대하여 다음 식이 성립한다.

tan⁡(α+β)=tan⁡α+tan⁡β1−tan⁡αtan⁡β(단, α≠π2,  β≠π2,  tan⁡αtan⁡β≠1)\displaystyle \tan(\alpha+\beta)=\frac{\tan\alpha+\tan\beta}{1-\tan\alpha\tan\beta}\quad(\text{단, }\alpha\ne\frac\pi2,\;\beta\ne\frac\pi2,\;\tan\alpha\tan\beta\ne1)

[문제 3-2] 좌표평면 위에 원점 O가 중심이고 반지름의 길이가 1인 원 위의 점 A(cos⁡θ,sin⁡θ)\displaystyle (\cos\theta,\sin\theta)가 있다. 그리고 원점을 지나며 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기가 2θ\displaystyle 2\theta인 직선과 곡선 x2+y24=1\displaystyle x^2+\frac{y^2}4=1의 교점을 B라 하고, 삼각형 AOB의 넓이의 최댓값을 M\displaystyle M이라 하자. 삼각형 AOB의 넓이를 tan⁡θ\displaystyle \tan\theta로만 표현된 함수로 나타내고, 이를 이용하여 M2\displaystyle M^2을 구하시오. (단, 0≤θ≤π2\displaystyle 0\le\theta\le\frac\pi2) [15점]

해설강의 준비중

[문제 3-2]

+3점 · 교점 B(x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0) x0=24+tan⁡22θ\displaystyle x_0=\frac2{\sqrt{4+\tan^22\theta}}, y0=2tan⁡2θ4+tan⁡22θ\displaystyle y_0=\frac{2\tan2\theta}{\sqrt{4+\tan^22\theta}} 구하면

교점 B(x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0)는 x2+y24=1\displaystyle x^2+\frac{y^2}4=1와 y=(tan⁡2θ)x\displaystyle y=(\tan2\theta)x (θ≠π4)\displaystyle \left(\theta\ne\frac\pi4\right)의 교점이다. 연립해서 풀면 x02=44+tan⁡2(2θ)\displaystyle x_0^2=\frac4{4+\tan^2(2\theta)}이다. B(x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0)와 y=(tan⁡θ)x\displaystyle y=(\tan\theta)x (θ≠π2)\displaystyle \left(\theta\ne\frac\pi2\right)와의 거리는

∣x0tan⁡θ−y0∣1+tan⁡2θ=∣x0tan⁡θ−x0tan⁡(2θ)∣1+tan⁡2θ\displaystyle \frac{|x_0\tan\theta-y_0|}{\sqrt{1+\tan^2\theta}}=\frac{|x_0\tan\theta-x_0\tan(2\theta)|}{\sqrt{1+\tan^2\theta}}

+5점 · 삼각형의 넓이 12tan⁡θ1+tan⁡2θ(1−tan⁡2θ)2+tan⁡2θ\displaystyle \frac12\frac{\tan\theta\sqrt{1+\tan^2\theta}}{\sqrt{(1-\tan^2\theta)^2+\tan^2\theta}}를 구하면

이다. 삼각형 AOB의 넓이는

12∣tan⁡θ−tan⁡(2θ)∣1+tan⁡2θ∣x∣=∣tan⁡θ−tan⁡(2θ)∣1+tan⁡2θ14+tan⁡2(2θ)\displaystyle \frac12\frac{|\tan\theta-\tan(2\theta)|}{\sqrt{1+\tan^2\theta}}|x|=\frac{|\tan\theta-\tan(2\theta)|}{\sqrt{1+\tan^2\theta}}\frac1{\sqrt{4+\tan^2(2\theta)}}

이고 tan⁡2θ=2tan⁡θ1−tan⁡2θ\displaystyle \tan2\theta=\frac{2\tan\theta}{1-\tan^2\theta}을 이용하여 정리하면 12tan⁡θ1+tan⁡2θ(1−tan⁡2θ)2+tan⁡2θ\displaystyle \frac12\frac{\tan\theta\sqrt{1+\tan^2\theta}}{\sqrt{(1-\tan^2\theta)^2+\tan^2\theta}}이다. 위 공식에 θ=π4\displaystyle \theta=\frac\pi4을 대입하면 22\displaystyle \frac{\sqrt2}2 값을 갖고 이것은 직접 구한 삼각형의 넓이와 같다. 삼각형 AOB의 넓이를 나타내는 함수 f(θ)\displaystyle f(\theta)는 아래와 같다.

f(θ)={12tan⁡θ1+tan⁡2θ(1−tan⁡2θ)2+tan⁡2θ(θ≠π2)12(θ=π2)\displaystyle f(\theta)=\begin{cases}\frac12\frac{\tan\theta\sqrt{1+\tan^2\theta}}{\sqrt{(1-\tan^2\theta)^2+\tan^2\theta}}&\left(\theta\ne\frac\pi2\right)\\\frac12&\left(\theta=\frac\pi2\right)\end{cases}

+7점 · tan⁡2θ=1+32\displaystyle \tan^2\theta=\frac{1+\sqrt3}2에서 최댓값 M2=3+2312\displaystyle M^2=\frac{3+2\sqrt3}{12} 구하면

f2\displaystyle f^2의 최댓값을 구하면 된다. s=tan⁡2θ\displaystyle s=\tan^2\theta (s≥0)\displaystyle (s\ge0)로 쓰면

f2=s(1+s)4{(1−s)2+s}=s2+s4(s2−s+1)\displaystyle f^2=\frac{s(1+s)}{4\{(1-s)^2+s\}}=\frac{s^2+s}{4(s^2-s+1)}

이고 미분하면 −2s2+2s+14(s2−s+1)2\displaystyle \frac{-2s^2+2s+1}{4(s^2-s+1)^2}이다. 따라서 s=1+32\displaystyle s=\frac{1+\sqrt3}2에서 최댓값을 갖고 M2=14+36=3+2312\displaystyle M^2=\frac14+\frac{\sqrt3}6=\frac{3+2\sqrt3}{12}이다.

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