수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문2]

〈그림 1〉과 같이 각각 점 O1\displaystyle \mathrm{O}_1, O2\displaystyle \mathrm{O}_2, O3\displaystyle \mathrm{O}_3을 중심으로 하고 반지름의 길이가 1\displaystyle 1, 2\displaystyle 2, 4\displaystyle 4인 세 원 C1\displaystyle C_1, C2\displaystyle C_2, C3\displaystyle C_3이 서로 외접하고 있다.

서로 외접하는 반지름 1, 2, 4인 세 원
〈그림 1〉

모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 점 On\displaystyle \mathrm{O}_n을 중심으로 하고 반지름의 길이가 rn\displaystyle r_n인 원 Cn\displaystyle C_n이 다음 세 조건 (가), (나), (다)를 만족시킨다.

(가) 〈그림 2〉와 같이 세 원 Cn\displaystyle C_n, Cn+1\displaystyle C_{n+1}, Cn+2\displaystyle C_{n+2}는 서로 외접한다.

(나) 수열 {rn}\displaystyle \{r_n\}은 첫째항이 1\displaystyle 1이고 공비가 2\displaystyle 2인 등비수열이다.

(다) 〈그림 2〉와 같이 삼각형 OnOn+1On+2\displaystyle \mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}와 삼각형 On+1On+2On+3\displaystyle \mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}은 선분 On+1On+2\displaystyle \mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}만을 공유한다.

연속하는 네 원과 두 삼각형의 배치
〈그림 2〉

[문제 2-1]〈그림 1〉의 삼각형 O1O2O3\displaystyle \mathrm{O}_1\mathrm{O}_2\mathrm{O}_3에서 cos⁡(∠O1O2O3)\displaystyle \cos(\angle\mathrm{O}_1\mathrm{O}_2\mathrm{O}_3)의 값을 구하시오. [20점]

[문제 2-2]원 Cn\displaystyle C_n의 넓이를 Sn\displaystyle S_n이라고 하자. ∑n=1Nlog⁡2Snπ>100\displaystyle \sum_{n=1}^N\log_2\frac{S_n}{\pi}>100을 만족하는 자연수 N\displaystyle N의 최솟값을 구하시오. [40점]

[문제 2-3]모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 직선 OnOn+1\displaystyle \mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}과 직선 On+2On+3\displaystyle \mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}이 서로 평행함을 보이시오. [40점]

해설강의 준비중
+10점 · (1)과 같이 세 선분 O1O2\displaystyle \mathrm{O}_1\mathrm{O}_2, O2O3\displaystyle \mathrm{O}_2\mathrm{O}_3, O1O3\displaystyle \mathrm{O}_1\mathrm{O}_3의 길이들을 구한 경우: -E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. -B(5점): 시도는 하였지만 (1)과 같은 완벽한 답을 얻지 못하였다. -A(10점): 외접조건을 이용하여 (1)과 같은 답을 얻었다.

[문제 2-1]r1=1\displaystyle r_1=1, r2=2\displaystyle r_2=2, r3=4\displaystyle r_3=4이고 세 원 C1\displaystyle C_1, C2\displaystyle C_2, C3\displaystyle C_3가 제시문 〈그림 1〉과 같이 서로 외접하므로O1O2‾=r1+r2=1+2=3,O2O3‾=r2+r3=2+4=6,O1O3‾=r1+r3=1+4=5.(1)\displaystyle \begin{aligned}\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{O}_2}&=r_1+r_2=1+2=3,\\\overline{\mathrm{O}_2\mathrm{O}_3}&=r_2+r_3=2+4=6,\\\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{O}_3}&=r_1+r_3=1+4=5.\end{aligned}\qquad(1)

+10점 · 코사인법칙을 이용하여 (2)와 같이 각 O1O2O3\displaystyle \mathrm{O}_1\mathrm{O}_2\mathrm{O}_3의 코사인 값을 구한 경우: -E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. -B(5점): 코사인법칙을 아는 정도이거나, 혹은 코사인법칙을 이용하려 했으나 완벽한 답을 얻지 못하였다. -A(10점): 코사인법칙을 이용하여 (2)과 같은 답을 얻었다.

삼각형 O1O2O3\displaystyle \mathrm{O}_1\mathrm{O}_2\mathrm{O}_3에 코사인법칙을 적용하면cos⁡(∠O1O2O3)=O1O2‾2+O2O3‾2−O1O3‾22⋅O1O2‾⋅O2O3‾=32+62−522⋅3⋅6=202⋅3⋅6=59.(2)\displaystyle \cos(\angle\mathrm{O}_1\mathrm{O}_2\mathrm{O}_3)=\frac{\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{O}_2}^2+\overline{\mathrm{O}_2\mathrm{O}_3}^2-\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{O}_3}^2}{2\cdot\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{O}_2}\cdot\overline{\mathrm{O}_2\mathrm{O}_3}}=\frac{3^2+6^2-5^2}{2\cdot3\cdot6}=\frac{20}{2\cdot3\cdot6}=\frac59.\qquad(2)

+10점 · 제시문의 조건 (나)로부터 수열 {rn}\displaystyle \{r_n\}의 일반항을 알아내고, (3)과 같이 원 Cn\displaystyle C_n의 넓이 Sn\displaystyle S_n을 구한 경우: -E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. -B(5점): {rn}\displaystyle \{r_n\}의 일반항만 알아내었다. -A(10점): Sn\displaystyle S_n의 일반항을 알아내었다.

[문제 2-2]조건 (나)에 의하여 수열 {rn}\displaystyle \{r_n\}이 첫째항 1, 공비 2인 등비수열이므로rn=1⋅2n−1=2n−1\displaystyle r_n=1\cdot2^{n-1}=2^{n-1}이다. 따라서 원 Cn\displaystyle C_n의 넓이 Sn\displaystyle S_n은Sn=π(2n−1)2=22n−2π(3)\displaystyle S_n=\pi(2^{n-1})^2=2^{2n-2}\pi\qquad(3)

+10점 · 로그의 정의를 이용하여 (4)와 같이 log⁡2Snπ\displaystyle \log_2\frac{S_n}{\pi}을 구한 경우: -E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. -B(5점): 로그를 이용하려 하였지만 (4)와 같은 답을 얻지 못하였다. -A(10점): 로그를 이용하여 (4)의 답을 얻었다.

이고, 로그의 정의에 의하여log⁡2Snπ=log⁡222n−2=2n−2.(4)\displaystyle \log_2\frac{S_n}{\pi}=\log_22^{2n-2}=2n-2.\qquad(4)

+15점 · (5)와 같이 ∑n=1Nlog⁡2Snπ\displaystyle \sum_{n=1}^N\log_2\frac{S_n}{\pi}을 N\displaystyle N으로 표현한 경우: -E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. -C(5점): ∑\displaystyle \sum의 의미를 알지만, 이를 이용한 계산을 할 수 없다. -B(10점): ∑\displaystyle \sum의 의미를 알고 계산을 하였지만 정확한 답을 얻지 못하였다. -A(15점): (5)와 같이 정확한 답을 얻었다.

(5)에 의하여Correction. 이곳의 “(5)”는 앞에서 구한 로그값인 “(4)”의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.∑n=1Nlog⁡2Snπ=∑n=1N(2n−2)=2∑n=1Nn−∑n=1N2=2⋅12N(N+1)−2N=N(N−1).(5)\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^N\log_2\frac{S_n}{\pi}&=\sum_{n=1}^N(2n-2)=2\sum_{n=1}^Nn-\sum_{n=1}^N2=2\cdot\frac12N(N+1)-2N\\&=N(N-1).\end{aligned}\qquad(5)

+5점 · (5)를 이용하여 N\displaystyle N의 최솟값을 알아낸 경우: -E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. -A(5점): 완벽한 답을 하였다.

N(N−1)\displaystyle N(N-1)이 자연수 N\displaystyle N에 대한 증가함수이고 10(10−1)=90<100\displaystyle 10(10-1)=90<100, 11(11−1)=110>100\displaystyle 11(11-1)=110>100이므로, 구하는 N\displaystyle N의 최솟값은 11이다.

[문제 2-3]

코사인법칙으로 같은 두 엇각을 비교하는 그림
〈그림 3〉
+10점 · (6)과 같이 삼각형 OnOn+1On+2\displaystyle \mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}와 삼각형 On+1On+2On+3\displaystyle \mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}의 각 변의 길이를 알아낸 경우: -E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. -B(5점): 시도는 하였지만 완벽한 답을 얻지 못하였다. 혹은 일반적인 n\displaystyle n에 대해서가 아니라, n\displaystyle n이 1 혹은 2인 일부 경우들에 대한 답만을 얻었다. -A(10점): 외접조건을 이용하여 (6) 혹은 (9)와 같은 답을 얻었다.

제시문의 조건 (가), (나)에 의하여OnOn+1‾=rn+rn+1=2n−1+2n,OnOn+2‾=rn+rn+2=2n−1+2n+1,On+1On+2‾=rn+1+rn+2=2n+2n+1,On+1On+3‾=rn+1+rn+3=2n+2n+2,On+2On+3‾=rn+2+rn+3=2n+1+2n+2(6)\displaystyle \begin{aligned}\overline{\mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}}&=r_n+r_{n+1}=2^{n-1}+2^n,\\\overline{\mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+2}}&=r_n+r_{n+2}=2^{n-1}+2^{n+1},\\\overline{\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}}&=r_{n+1}+r_{n+2}=2^n+2^{n+1},\\\overline{\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+3}}&=r_{n+1}+r_{n+3}=2^n+2^{n+2},\\\overline{\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}}&=r_{n+2}+r_{n+3}=2^{n+1}+2^{n+2}\end{aligned}\qquad(6)

+15점 · 코사인법칙을 이용하여 (7)과 같이 각 OnOn+1On+2\displaystyle \mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}와 각 On+1On+2On+3\displaystyle \mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}의 코사인 값이 같음을 보인 경우: -E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. -C(5점): 코사인법칙을 알고, 이를 이용하려 시도만 하였다. 혹은 일반적인 n\displaystyle n에 대해서가 아니라, n\displaystyle n이 1 혹은 2인 일부 경우들에 대한 답만을 얻었다. -B(10점): 코사인법칙을 알고 일부 내각의 코사인 값을 구하였다. -A(15점): 대응하는 내각들의 코사인 값이 같음을 보였다.

이므로, 코사인법칙을 이용하면cos⁡(∠OnOn+1On+2)=OnOn+1‾2+On+1On+2‾2−OnOn+2‾22⋅OnOn+1‾⋅On+1On+2‾=(2n−1+2n)2+(2n+2n+1)2−(2n−1+2n+1)22(2n−1+2n)(2n+2n+1)=(32+62−52)(2n−1)22⋅3⋅6⋅(2n−1)2=32+62−522⋅3⋅6(=59)cos⁡(∠On+1On+2On+3)=On+1On+2‾2+On+2On+3‾2−On+1On+3‾22⋅On+1On+2‾⋅On+2On+3‾=(2n+2n+1)2+(2n+1+2n+2)2−(2n+2n+2)22(2n+2n+1)(2n+1+2n+2)=(32+62−52)(2n)22⋅3⋅6⋅(2n)2=32+62−522⋅3⋅6(=59)\displaystyle \begin{aligned}\cos(\angle\mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2})&=\frac{\overline{\mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}}^2+\overline{\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}}^2-\overline{\mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+2}}^2}{2\cdot\overline{\mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}}\cdot\overline{\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}}}\\&=\frac{(2^{n-1}+2^n)^2+(2^n+2^{n+1})^2-(2^{n-1}+2^{n+1})^2}{2(2^{n-1}+2^n)(2^n+2^{n+1})}\\&=\frac{(3^2+6^2-5^2)(2^{n-1})^2}{2\cdot3\cdot6\cdot(2^{n-1})^2}=\frac{3^2+6^2-5^2}{2\cdot3\cdot6}\quad\left(=\frac59\right)\\\cos(\angle\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3})&=\frac{\overline{\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}}^2+\overline{\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}}^2-\overline{\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+3}}^2}{2\cdot\overline{\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}}\cdot\overline{\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}}}\\&=\frac{(2^n+2^{n+1})^2+(2^{n+1}+2^{n+2})^2-(2^n+2^{n+2})^2}{2(2^n+2^{n+1})(2^{n+1}+2^{n+2})}\\&=\frac{(3^2+6^2-5^2)(2^n)^2}{2\cdot3\cdot6\cdot(2^n)^2}=\frac{3^2+6^2-5^2}{2\cdot3\cdot6}\quad\left(=\frac59\right)\end{aligned}따라서cos⁡(∠OnOn+1On+2)=cos⁡(∠On+1On+2On+3)(7)\displaystyle \cos(\angle\mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2})=\cos(\angle\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3})\qquad(7)

+5점 · (8)과 같이 각 OnOn+1On+2\displaystyle \mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}와 각 On+1On+2On+3\displaystyle \mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}의 크기가 같음을 보인 경우: -E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. 혹은 일반적인 n\displaystyle n에 대해서가 아니라, n\displaystyle n이 1 혹은 2인 일부 경우들에 대한 답만을 얻었다. -A(5점): 0∘\displaystyle 0^{\circ}와 180∘\displaystyle 180^{\circ} 사이의 각들, 즉 삼각형의 내각들은 코사인 값이 같을 경우 각의 크기도 같다는 점을 알고, 이를 이용하여 대응하는 각들의 크기가 같음을 보였다.

을 얻는다. 각 OnOn+1On+2\displaystyle \mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}와 각 On+1On+2On+3\displaystyle \mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}이 삼각형의 내각들이므로0<∠OnOn+1On+2<π, 0<∠On+1On+2On+3<π\displaystyle 0<\angle\mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}<\pi,\ 0<\angle\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}<\pi이고, 따라서 (7)에 의하여∠OnOn+1On+2=∠On+1On+2On+3.(8)\displaystyle \angle\mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}=\angle\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}.\qquad(8)

+10점 · 두 엇각 OnOn+1On+2\displaystyle \mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}와 On+1On+2On+3\displaystyle \mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}이 같다는 사실을 이용하여 두 직선 OnOn+1\displaystyle \mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}과 On+2On+3\displaystyle \mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}이 서로 평행함을 보인 경우: -E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. -B(5점): 엇각 등을 이용하여 두 직선이 평행함을 보이려 하였으나, 요구하는 답을 하지 못하였다. 혹은 일반적인 n\displaystyle n에 대해서가 아니라, n\displaystyle n이 1 혹은 2인 일부 경우들에 대한 답만을 얻었다. -A(10점): 엇각들의 크기가 같으면 대응하는 두 직선이 평행함을 이용하여, 문제가 요구하는 답을 하였다.

〈그림 3〉에서와 같이 두 엇각 OnOn+1On+2\displaystyle \mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}, On+1On+2On+3\displaystyle \mathrm{O}_{n+1}\mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}의 크기가 같으므로, 직선 OnOn+1\displaystyle \mathrm{O}_n\mathrm{O}_{n+1}과 직선 On+2On+3\displaystyle \mathrm{O}_{n+2}\mathrm{O}_{n+3}은 서로 평행하다.

채점위원 참고: 본 예시답안에서는 예시답안 2)의 〈그림 4〉의 각 β\displaystyle \beta가 엇각임을 이용하고 있습니다. 하지만 〈그림 4〉의 각 α\displaystyle \alpha 혹은 각 γ\displaystyle \gamma가 엇각임을 이용하는 답안도 비슷한 기준으로 채점할 수 있습니다.

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