수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제1] 다음 제시문을 읽고 질문에 답하시오. (45점)

(가) 현수교 케이블의 모양, 행성과 혜성의 궤도 등과 같이 생활 주변이나 자연 현상에 나타나는여러 가지 곡선에는 포물선, 타원 등이 있다.① 좌표평면에서 점 F(p,0)\displaystyle \mathrm{F}(p,0)와 직선 x=−p\displaystyle x=-p에 이르는 거리가 같은 점들의 집합을 포물선이라하고, 이 포물선을 방정식으로 나타내면 y2=4px\displaystyle y^2=4px (p≠0\displaystyle p\ne0)이다.② 좌표평면에서 두 점 F(−c,0),F′(c,0)\displaystyle \mathrm{F}(-c,0),\mathrm{F}^{\prime}(c,0)에서 거리의 합이 2a\displaystyle 2a로 일정한 점들의 집합을 타원이라 하고, 이 타원을 방정식으로 나타내면 x2a2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 (a>c>0\displaystyle a>c>0, b2=a2−c2\displaystyle b^2=a^2-c^2)이다.③ 타원 x2a2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1에 접하는 기울기가 k\displaystyle k인 직선의 방정식은 y=kx±a2k2+b2\displaystyle y=kx\pm\sqrt{a^2k^2+b^2}이다.

(나) 두 함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)에 대하여 합성함수 g∘f(x)\displaystyle g\circ f(x)의 증가와 감소에 대한 다음 성질을 갖는다.• g(x)\displaystyle g(x)가 증가함수일 때, f(x)\displaystyle f(x)가 증가하면 g∘f(x)\displaystyle g\circ f(x)는 증가하고 f(x)\displaystyle f(x)가 감소하면 g∘f(x)\displaystyle g\circ f(x)도 감소한다.• g(x)\displaystyle g(x)가 감소함수일 때, f(x)\displaystyle f(x)가 증가하면 g∘f(x)\displaystyle g\circ f(x)는 감소하고 f(x)\displaystyle f(x)가 감소하면 g∘f(x)\displaystyle g\circ f(x)는 증가한다.

(다) 좌표평면에서 곡선 위의 점을 매개변수로 나타내면 편리하다. 매개변수 방정식x=acos⁡t,  y=bsin⁡t(0≤t<2π)\displaystyle x=a\cos t,\;y=b\sin t\quad(0\le t<2\pi)는 타원 x2a2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1를 매개변수 t\displaystyle t를 사용하여 나타낸 것이다.

[논제 1] 좌표평면 위를 움직이는 점 P\displaystyle \mathrm{P}와 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 시각 t\displaystyle t에서의 위치를 각각(2cos⁡t,sin⁡t),  (2cos⁡2t,sin⁡2t)\displaystyle (\sqrt2\cos t,\sin t),\;(\sqrt2\cos2t,\sin2t)라 하자. t\displaystyle t (0<t<π\displaystyle 0<t<\pi)에서 두 점 P\displaystyle \mathrm{P}와 Q\displaystyle \mathrm{Q} 사이의 거리를 f(t)\displaystyle f(t)라 할 때, 함수 f(t)\displaystyle f(t)가 극댓값을 갖게 하는t\displaystyle t의 값을 구하시오. (15점)

[논제 2] 좌표평면에서 포물선 8(x+2)=y2\displaystyle 8(x+2)=y^2의 초점을 F\displaystyle \mathrm{F}라 하자. 초점 F\displaystyle \mathrm{F}와 이 포물선 위의 점 C(x,y)\displaystyle \mathrm{C}(x,y)(−2<x<0)\displaystyle (-2<x<0)를 지나는 직선 ℓ\displaystyle \ell에 대하여 다음 조건을 만족시키는 점 D\displaystyle \mathrm{D}의 집합을 A\displaystyle A라 하자.

D\displaystyle \mathrm{D}는 중심이 C(x,y)\displaystyle \mathrm{C}(x,y)이고 y\displaystyle y축에 접하는 원과 ℓ\displaystyle \ell의 교점 중 원점으로부터먼 거리에 있는 2사분면의 점이다.

원점 O\displaystyle \mathrm{O}와 점 B(−4,0)\displaystyle \mathrm{B}(-4,0)에 대하여 DB→⋅DO→=8\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{DB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{DO}}=8을 만족시키는 집합 A\displaystyle A의 원소 D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표를 구하시오. (15점)

[논제 3] 원 x2+y2=9\displaystyle x^2+y^2=9 위의 점 D\displaystyle \mathrm{D}에서 타원 x22+y2=1\displaystyle \frac{x^2}2+y^2=1에 그은 두 접선이 이루는 각의 크기가 45∘\displaystyle 45^\circ일 때,점 D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표를 구하시오.(단, 점 D\displaystyle \mathrm{D}는 2사분면에 있다) (15점)

해설강의 준비중
+5점 · f(t)\displaystyle f(t) 또는 f(t)2\displaystyle f(t)^2을 제시

[논제1] 두 점 사이의 거리 PQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}는 PQ‾2\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}^2과 같은 증가 감소의 경향을 보이므로 PQ‾2\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}^2의 극댓값을 찾는다.PQ‾2=(2cos⁡t−2cos⁡2t)2+(sin⁡t−sin⁡2t)2=(cos⁡2t+cos⁡22t)−2(2cos⁡tcos⁡2t+sin⁡tsin⁡2t)+2\displaystyle \begin{aligned}\overline{\mathrm{PQ}}^2&=(\sqrt2\cos t-\sqrt2\cos2t)^2+(\sin t-\sin2t)^2\\&=(\cos^2t+\cos^22t)-2(2\cos t\cos2t+\sin t\sin2t)+2\end{aligned}이고, cos⁡2t=2cos⁡2t−1\displaystyle \cos2t=2\cos^2t-1, sin⁡2t=2sin⁡tcos⁡t\displaystyle \sin2t=2\sin t\cos t를 대입하면,PQ‾2={cos⁡2t+(2cos⁡2t−1)2}−2{2cos⁡t(2cos⁡2t−1)+sin⁡t(2sin⁡tcos⁡t)}+2\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}^2=\{\cos^2t+(2\cos^2t-1)^2\}-2\{2\cos t(2\cos^2t-1)+\sin t(2\sin t\cos t)\}+2이다. u=cos⁡t\displaystyle u=\cos t로 치환하면 0<t<π\displaystyle 0<t<\pi로부터 −1<u<1\displaystyle -1<u<1이고,PQ‾2=4u4−4u3−3u2+3\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}^2=4u^4-4u^3-3u^2+3

+10점 · t=π2\displaystyle t=\frac\pi2임을 제시

을 얻는다. 따라서 F(u)=4u4−4u3−3u2+3\displaystyle F(u)=4u^4-4u^3-3u^2+3라 하면dduF(u)=16u3−12u2−6u=0\displaystyle \frac d{du}F(u)=16u^3-12u^2-6u=0이려면 u=0\displaystyle u=0 또는 u=3±338\displaystyle u=\frac{3\pm\sqrt{33}}8이어야 한다. −1<u<1\displaystyle -1<u<1이므로 u=cos⁡t=0,3−338\displaystyle u=\cos t=0,\frac{3-\sqrt{33}}8을 얻는다.cos⁡t0=3−338\displaystyle \cos t_0=\frac{3-\sqrt{33}}8, (0<t0<π\displaystyle 0<t_0<\pi)이라 하면 함수 y=cos⁡t\displaystyle y=\cos t는 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에서 감소함수이고 삼차함수F(u)\displaystyle F(u)의 증감은 다음과 같다.Correction. 삼차함수는 사차함수의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

u\displaystyle u−1\displaystyle -13−338\displaystyle \frac{3-\sqrt{33}}80\displaystyle 01\displaystyle 1
F(u)\displaystyle F(u)↘\displaystyle \searrow↗\displaystyle \nearrow↘\displaystyle \searrow

따라서 <제시문> (나)에 의하여 함수 f(t)2=F(cos⁡t)\displaystyle f(t)^2=F(\cos t)의 증감은 다음과 같다.

tt0 π2\frac\pi2 t0t_0 π\pi
F(cos⁡t)F(\cos t) ↗ ↘ ↗ 

그러므로 t=π2\displaystyle t=\frac\pi2일 때 함수 f(t)\displaystyle f(t)는 극대이다. 답: t=π2\displaystyle t=\frac\pi2

+8점 · A\displaystyle A가 원의 일부임을 제시

[논제2] 주어진 포물선 8(x+2)=y2\displaystyle 8(x+2)=y^2의 초점은 원점 O\displaystyle \mathrm{O}이고 준선은x=−4\displaystyle x=-4이다. 따라서 포물선의 정의에 의하여, 원점 O\displaystyle \mathrm{O}와 점 D(a,b)\displaystyle \mathrm{D}(a,b)사이의 거리 d\displaystyle d는d=OC‾+(원의 반지름의 길이)=(C에서 직선 x=−4까지의 거리)+(원의 반지름의 길이)=(C에서 직선 x=−4까지의 거리)+(C에서 직선 x=0까지의 거리)=4\displaystyle \begin{aligned}d&=\overline{\mathrm{OC}}+(\text{원의 반지름의 길이})\\&=(\mathrm{C}\text{에서 직선 }x=-4\text{까지의 거리})+(\text{원의 반지름의 길이})\\&=(\mathrm{C}\text{에서 직선 }x=-4\text{까지의 거리})+(\mathrm{C}\text{에서 직선 }x=0\text{까지의 거리})\\&=4\end{aligned}이므로 A\displaystyle A에 속하는 D(a,b)\displaystyle \mathrm{D}(a,b)는a2+b2=16,  (−4<a<0,0<b<4)\displaystyle a^2+b^2=16,\;(-4<a<0,0<b<4)를 만족시킨다.

포물선과 그 위의 중심 C를 갖는 원 및 점 D
+7점 · D(−2,23)\displaystyle \mathrm{D}(-2,2\sqrt3)을 제시

또한 DB→=(−4−a,−b)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{DB}}=(-4-a,-b), DO→=(−a,−b)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{DO}}=(-a,-b)이므로8=DB→⋅DO→=a(a+4)+b2\displaystyle 8=\overrightarrow{\mathrm{DB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{DO}}=a(a+4)+b^2을 만족시키려면 a=−2\displaystyle a=-2, b2=12\displaystyle b^2=12이어야 한다. 그러므로 구하는 2사분면의 점 D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표는 (−2,23)\displaystyle (-2,2\sqrt3)이다. 답: D(−2,23)\displaystyle \mathrm{D}(-2,2\sqrt3)

+5점 · 근과 계수의 관계: k1+k2=2aba2−2,  k1k2=b2−1a2−2\displaystyle k_1+k_2=\frac{2ab}{a^2-2},\;k_1k_2=\frac{b^2-1}{a^2-2}를 제시

[논제3] 원 x2+y2=9\displaystyle x^2+y^2=9 위의 점 D(a,b)\displaystyle \mathrm{D}(a,b)를 지나고 타원 x22+y2=1\displaystyle \frac{x^2}2+y^2=1에 접하는 직선의 기울기를 k\displaystyle k라 하자. <제시문> (가)에 의해서 직선의 방정식은 y=kx±2k2+1\displaystyle y=kx\pm\sqrt{2k^2+1}이므로b=ka±2k2+1\displaystyle b=ka\pm\sqrt{2k^2+1}에서(a2−2)k2−2abk+b2−1=0\displaystyle (a^2-2)k^2-2abk+b^2-1=0이다. 이 방정식의 두 해를 k1,k2\displaystyle k_1,k_2라 하면 이차방정식의 근과 계수의 관계로부터k1+k2=2aba2−2,  k1k2=b2−1a2−2\displaystyle k_1+k_2=\frac{2ab}{a^2-2},\;k_1k_2=\frac{b^2-1}{a^2-2} …… ①

+5점 · tan⁡(α−β)\displaystyle \tan(\alpha-\beta)의 공식으로부터 ∣k1−k21+k1k2∣=1\displaystyle \left|\frac{k_1-k_2}{1+k_1k_2}\right|=1임을 제시

이다. 한편, 기울기가 k1\displaystyle k_1인 직선이 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각을 α\displaystyle \alpha, 기울기가 k2\displaystyle k_2인 직선이 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각을 β\displaystyle \beta라 하면, k1=tan⁡α\displaystyle k_1=\tan\alpha이고 k2=tan⁡β\displaystyle k_2=\tan\beta이다. 두 직선이 이루는 각의 크기가 45∘\displaystyle 45^\circ이므로1=∣tan⁡(α−β)∣=∣tan⁡α−tan⁡β1+tan⁡αtan⁡β∣=∣k1−k21+k1k2∣\displaystyle 1=|\tan(\alpha-\beta)|=\left|\frac{\tan\alpha-\tan\beta}{1+\tan\alpha\tan\beta}\right|=\left|\frac{k_1-k_2}{1+k_1k_2}\right| …… ②

+5점 · D(−7,2)\displaystyle \mathrm{D}(-\sqrt7,\sqrt2)를 제시

이다. 식 ①을 ②에 대입하면 a2+b2=9\displaystyle a^2+b^2=9이므로 b2=2\displaystyle b^2=2이다. 점 (a,b)\displaystyle (a,b)는 제2사분면 위에 있으므로,b=2,a=−7\displaystyle b=\sqrt2,a=-\sqrt7이다. 답: D(−7,2)\displaystyle \mathrm{D}(-\sqrt7,\sqrt2)

예시 답안의 내용 및 평가 기준의 내용과는 일치하지 않더라도 기술한 내용이 논리적으로 타당한 경우에는 평가위원의 판단에 따라 부분 점수를 부여할 수 있음.

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