수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
제1단계 · a=AB, b=AD, c=CB, d=CD\displaystyle a=\overline{\mathrm{AB}},\ b=\overline{\mathrm{AD}},\ c=\overline{\mathrm{CB}},\ d=\overline{\mathrm{CD}} 라고 하자. 코사인 법칙을 이용하여 변 사이의 관계를 나타낼 수 있다. 사각형 ABCD가 원에 내접하므로 제시문 [라]에 의해 C=120\displaystyle \angle C=120^\circ이고, 제시문 [가]의 코사인 법칙에 의해 a2+b2ab=64, c2+d2+cd=64\displaystyle a^2+b^2-ab=64,\ c^2+d^2+cd=64 이다.

a=AB, b=AD, c=CB, d=CD\displaystyle a=\overline{\mathrm{AB}},\ b=\overline{\mathrm{AD}},\ c=\overline{\mathrm{CB}},\ d=\overline{\mathrm{CD}}라고 하자. 사각형 ABCD가 원에 내접하므로 제시문 [라]에 의해, C=120\displaystyle \angle C=120^\circ이고, 제시문 [가]의 코사인 법칙에 의해a2+b2ab=64, c2+d2+cd=64\displaystyle a^2+b^2-ab=64,\ c^2+d^2+cd=64이다.

제2단계 · ab,cd\displaystyle ab,cdx=CB+CD\displaystyle x=\overline{\mathrm{CB}}+\overline{\mathrm{CD}}의 식으로 나타낼 수 있다.ab,cd\displaystyle ab,cd를 각각 a+b\displaystyle a+bc+d\displaystyle c+d 에 대한 식으로 변형하면ab=(a+b)2643, cd=(c+d)264\displaystyle ab=\frac{(a+b)^2-64}3,\ cd=(c+d)^2-64이다. 네 변의 길이의 합이 22 이므로, c+d=x\displaystyle c+d=x 라고 하면ab=(22x)2643, cd=x264\displaystyle ab=\frac{(22-x)^2-64}3,\ cd=x^2-64로 표현할 수 있다.

ab,cd\displaystyle ab,cd를 각각 a+b\displaystyle a+bc+d\displaystyle c+d 에 대한 식으로 변형하면ab=(a+b)2643, cd=(c+d)264\displaystyle ab=\frac{(a+b)^2-64}3,\ cd=(c+d)^2-64이다. 네 변의 길이의 합이 22 이므로, c+d=x\displaystyle c+d=x 라고 하면ab=(22x)2643, cd=x264\displaystyle ab=\frac{(22-x)^2-64}3,\ cd=x^2-64로 표현할 수 있다.

제3단계 · a,b,c,d\displaystyle a,b,c,d가 양수이므로 x=CB+CD\displaystyle x=\overline{\mathrm{CB}}+\overline{\mathrm{CD}}의 범위를 구할 수 있다.a,b\displaystyle a,b는 근과 계수와의 관계에 의해 이차 함수 x2(a+b)x+ab=0\displaystyle x^2-(a+b)x+ab=0의 근이 된다. a,b\displaystyle a,b가 양수이므로a+b=22x>0, ab=(22x)2643>0, D=(a+b)24ab=(22x)2+25630\displaystyle a+b=22-x>0,\ ab=\frac{(22-x)^2-64}3>0,\ D=(a+b)^2-4ab=\frac{-(22-x)^2+256}3\ge0이고 x\displaystyle x의 범위는 6x<14\displaystyle 6\le x<14이다.마찬가지로 두 양수 c,d\displaystyle c,d가 존재하기 위한 조건은c+d=x>0, cd=x264>0, D=(c+d)24cd=3x2+2560\displaystyle c+d=x>0,\ cd=x^2-64>0,\ D=(c+d)^2-4cd=-3x^2+256\ge0이므로 x\displaystyle x의 범위는 8<x1633\displaystyle 8<x\le\frac{16}3\sqrt3이다. 따라서, 위의 두 결과를 종합하면 x\displaystyle x의 범위는 8<x1633\displaystyle 8<x\le\frac{16}3\sqrt3이다.

Correction. 여기서 ‘이차 함수’는 ‘이차방정식’을 가리킨다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

a,b\displaystyle a,b는 근과 계수와의 관계에 의해 이차 함수 x2(a+b)x+ab=0\displaystyle x^2-(a+b)x+ab=0의 근이 된다. a,b\displaystyle a,b가 양수이므로Correction. 여기서 ‘이차 함수’는 ‘이차방정식’을 가리킨다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.a+b=22x>0, ab=(22x)2643>0, (a+b)24ab=(22x)2+25630\displaystyle a+b=22-x>0,\ ab=\frac{(22-x)^2-64}3>0,\ (a+b)^2-4ab=\frac{-(22-x)^2+256}3\ge0이고 x\displaystyle x의 범위는 6x<14\displaystyle 6\le x<14이다.마찬가지로 두 양수 c,d\displaystyle c,d가 존재하기 위한 조건은c+d=x>0, cd=x264>0, (c+d)24cd=3x2+2560\displaystyle c+d=x>0,\ cd=x^2-64>0,\ (c+d)^2-4cd=-3x^2+256\ge0이므로 x\displaystyle x의 범위는 8<x1633\displaystyle 8<x\le\frac{16}3\sqrt3이다. 따라서, 위의 두 결과를 종합하면 x\displaystyle x의 범위는 8<x1633\displaystyle 8<x\le\frac{16}3\sqrt3이다.

제4단계 · 사각형 ABCD의 넓이가 최대일 때, x\displaystyle x의 값을 구할 수 있다.사각형 ABCD 의 넓이 S\displaystyle S는 삼각형 ABD 와 삼각형 CBD 의 넓이의 합이므로 제시문 [나]에 의해S=12absinA+12cdsinC=34(ab+cd)\displaystyle S=\frac12ab\sin A+\frac12cd\sin C=\frac{\sqrt3}4(ab+cd)이다. ab,cd\displaystyle ab,cdx\displaystyle x로 표현한 식을 대입해서 정리하면S=34((22x)2643+x264)=33(x211x+57)=33(x112)2+107123\displaystyle S=\frac{\sqrt3}4\left(\frac{(22-x)^2-64}3+x^2-64\right)=\frac{\sqrt3}3(x^2-11x+57)=\frac{\sqrt3}3\left(x-\frac{11}2\right)^2+\frac{107}{12}\sqrt3이므로 사각형 면적이 최대가 될 때 x=CB+CD\displaystyle x=\overline{\mathrm{CB}}+\overline{\mathrm{CD}}의 값은 제시문 [다]에 의해 1633\displaystyle \frac{16}3\sqrt3이다.

한편 사각형 ABCD 의 넓이 S\displaystyle S는 삼각형 ABD 와 삼각형 CBD 의 넓이의 합이므로 제시문 [나]에 의해S=12absinA+12cdsinC=34(ab+cd)\displaystyle S=\frac12ab\sin A+\frac12cd\sin C=\frac{\sqrt3}4(ab+cd)이다. ab,cd\displaystyle ab,cdx\displaystyle x로 표현한 식을 대입해서 정리하면S=34((22x)2643+x264)=33(x211x+57)=33(x112)2+107123\displaystyle S=\frac{\sqrt3}4\left(\frac{(22-x)^2-64}3+x^2-64\right)=\frac{\sqrt3}3(x^2-11x+57)=\frac{\sqrt3}3\left(x-\frac{11}2\right)^2+\frac{107}{12}\sqrt3이다. 따라서 사각형의 면적이 최대가 될 때 x=CB+CD\displaystyle x=\overline{\mathrm{CB}}+\overline{\mathrm{CD}}의 값은 제시문 [다]에 의해 1633\displaystyle \frac{16}3\sqrt3이다.

채점 기준배점
[1단계]부터 [4단계]까지를 모두 보이고, 논증이 매끄럽고 설득력이 있는 경우S
[1단계]부터 [4단계]까지를 모두 보였으나 논증이 매끄럽지 않은 경우A
[1단계]부터 [3단계]까지의 과정을 기술한 경우B
[1단계]부터 [2단계]까지의 과정을 기술한 경우C
[1단계]의 과정을 기술한 경우D
위 단계 중 한 단계만 기술한 경우E
어느 단계도 맞게 진술하지 못한 경우, 백지인 경우F

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