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자연계열 1번

문제

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[문제1-1]

+15점 · 점 C0\displaystyle \mathrm{C}_0의 좌표를 정확히 구하면 - E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. - B(10점): 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 C0\displaystyle \mathrm{C}_0에서의 접선이 직선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 평행임을 이용하여 (1)과 같은 관계를 구하였다. - A(15점): (1)을 구하고, (2)와 같이 점 C0\displaystyle \mathrm{C}_0의 좌표를 정확히 구하였다.

곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 C\displaystyle \mathrm{C}에서의 접선이 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와 평행인 경우 삼각형 AOC0\displaystyle \mathrm{AOC}_0의 넓이가 최대이다. 따라서 점 C0\displaystyle \mathrm{C}_0에서의 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 접선의 기울기가 3a22\displaystyle \frac{3a^2}2이므로, 점 C0\displaystyle \mathrm{C}_0x\displaystyle x좌표를 t\displaystyle t라 하면f(t)=3t23a22=3a22(1)\displaystyle f^{\prime}(t)=3t^2-\frac{3a^2}2=\frac{3a^2}2\qquad(1)이므로 t=±a\displaystyle t=\pm a이다. t>0\displaystyle t>0이므로 C0\displaystyle \mathrm{C}_0의 좌표는C0(a,a32).(2)\displaystyle \mathrm{C}_0\left(a,-\frac{a^3}2\right).\qquad(2)

+20점 · 삼각형 AOC0\displaystyle \mathrm{AOC}_0의 최대 넓이를 구하면 - E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. - D(5점): (3), (4), (5) 중 한 개를 정확히 구하였다. - C(10점): (3), (4), (5) 중 두 개를 정확히 구하였다. - B(15점): (3), (4), (5) 모두 정확히 구하였다. - A(20점): (3), (4), (5)를 종합하여 삼각형 AOC0\displaystyle \mathrm{AOC}_0의 넓이를 (6)과 같이 정확히 구하였다.

f(x)=g(x)x33a22x=3a22xx=0,±3a\displaystyle f(x)=g(x)\Leftrightarrow x^3-\frac{3a^2}2x=\frac{3a^2}2x\Leftrightarrow x=0,\pm\sqrt3a이고 점 A\displaystyle \mathrm{A}x\displaystyle x좌표가 양수이므로 A\displaystyle \mathrm{A}의 좌표는A(3a,33a32).(3)\displaystyle \mathrm{A}\left(\sqrt3a,\frac{3\sqrt3a^3}2\right).\qquad(3)따라서 선분 OA\displaystyle \mathrm{OA}의 길이는(3a0)2+(33a320)2=3a29a4+4(4)\displaystyle \sqrt{(\sqrt3a-0)^2+\left(\frac{3\sqrt3a^3}2-0\right)^2}=\frac{\sqrt3a}2\sqrt{9a^4+4}\qquad(4)이고 점 C0\displaystyle \mathrm{C}_0와 직선 y=3a22x\displaystyle y=\frac{3a^2}2x 사이의 거리가3a22a(a32)(3a22)2+(1)2=4a39a4+4(5)\displaystyle \frac{\left|\frac{3a^2}2\cdot a-\left(-\frac{a^3}2\right)\right|}{\sqrt{\left(\frac{3a^2}2\right)^2+(-1)^2}}=\frac{4a^3}{\sqrt{9a^4+4}}\qquad(5)이므로, 삼각형 AOC0\displaystyle \mathrm{AOC}_0의 넓이는123a29a4+44a39a4+4=3a4.(6)\displaystyle \frac12\cdot\frac{\sqrt3a}2\sqrt{9a^4+4}\cdot\frac{4a^3}{\sqrt{9a^4+4}}=\sqrt3a^4.\qquad(6)

[문제1-2]

+15점 · 점 B\displaystyle \mathrm{B}의 좌표를 구하면 - E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. - C(5점): (12)나 (13) 중 하나만 정확히 구하였다. - B(10점): (12)와 (13) 모두 정확히 구하였다. - A(15점): (12)와 (13)이 맞고, (14)와 같이 점 B\displaystyle \mathrm{B}의 좌표를 정확히 구하였다.

f(x)=3x23a22\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-\frac{3a^2}2이므로 f(0)=3a22\displaystyle f^{\prime}(0)=-\frac{3a^2}2, f(3a)=15a22\displaystyle f^{\prime}(\sqrt3a)=\frac{15a^2}2이다. 따라서 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 O(0,0)\displaystyle \mathrm{O}(0,0)에서의 접선의 방정식은h1(x)=3a22x,(12)\displaystyle h_1(x)=-\frac{3a^2}2x,\qquad(12)A(3a,33a32)\displaystyle \mathrm{A}\left(\sqrt3a,\frac{3\sqrt3a^3}2\right)에서의 접선의 방정식은h2(x)=15a22(x3a)+33a32=15a22x63a3.(13)\displaystyle h_2(x)=\frac{15a^2}2(x-\sqrt3a)+\frac{3\sqrt3a^3}2=\frac{15a^2}2x-6\sqrt3a^3.\qquad(13)(12), (13)에 의하여h1(x)=h2(x)15a22x63a3=3a22xx=23a3\displaystyle h_1(x)=h_2(x)\Leftrightarrow\frac{15a^2}2x-6\sqrt3a^3=-\frac{3a^2}2x\Leftrightarrow x=\frac{2\sqrt3a}3이므로 점 B\displaystyle \mathrm{B}의 좌표는B(23a3,3a3).(14)\displaystyle \mathrm{B}\left(\frac{2\sqrt3a}3,-\sqrt3a^3\right).\qquad(14)

+10점 · S1(a)\displaystyle S_1(a)를 구하면 - E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. - B(5점): (15)의 첫 번째 등호처럼 S1(a)\displaystyle S_1(a)를 정적분을 이용하여 표현하였지만 그 값을 정확하게 구하지 못하였다. - A(10점): (15)와 같이 S1(a)\displaystyle S_1(a)를 정적분을 이용하여 표현하고 그 값도 정확하게 구하였다.

곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 직선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 교점이 O(0,0)\displaystyle \mathrm{O}(0,0), A(3a,33a32)\displaystyle \mathrm{A}\left(\sqrt3a,\frac{3\sqrt3a^3}2\right)이므로S1(a)=03a{3a22x(x33a22x)}dx=9a44.(15)\displaystyle S_1(a)=\int_0^{\sqrt3a}\left\{\frac{3a^2}2x-\left(x^3-\frac{3a^2}2x\right)\right\}dx=\frac{9a^4}4.\qquad(15)

+15점 · S2(a)\displaystyle S_2(a)를 구하면 - E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. - C(5점): (16)만 정확히 구하였다. - B(10점): (17)까지 정확히 구하였다. - A(15점): S2(a)\displaystyle S_2(a)의 값을 정확히 구하였다.

B(23a3,3a3)\displaystyle \mathrm{B}\left(\frac{2\sqrt3a}3,-\sqrt3a^3\right)와 직선 y=32a2x\displaystyle y=\frac32a^2x 사이의 거리는3a2223a3(3a3)(3a22)2+(1)2=43a39a4+4.(16)\displaystyle \frac{\left|\frac{3a^2}2\cdot\frac{2\sqrt3a}3-(-\sqrt3a^3)\right|}{\sqrt{\left(\frac{3a^2}2\right)^2+(-1)^2}}=\frac{4\sqrt3a^3}{\sqrt{9a^4+4}}.\qquad(16)(4)에 의해 삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 넓이는123a29a4+443a39a4+4=3a4(17)\displaystyle \frac12\cdot\frac{\sqrt3a}2\sqrt{9a^4+4}\cdot\frac{4\sqrt3a^3}{\sqrt{9a^4+4}}=3a^4\qquad(17)이므로 S2(a)=3a49a44=3a44\displaystyle S_2(a)=3a^4-\frac{9a^4}4=\frac{3a^4}4이다.

+5점 · k\displaystyle k의 값을 구하면 - E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. - A(5점): k\displaystyle k의 값을 정확히 구하였다.

따라서 (15)에 의하여 S1(a)=kS2(a)\displaystyle S_1(a)=k\cdot S_2(a)를 만족시키는 k\displaystyle k의 값은 3\displaystyle 3이다.

[문제1-3]

+15점 · 주어진 식을 정리해서 간결하게 쓰면 - E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. - C(5점): (24)와 같이 식을 정리하였다. - B(10점): (25)까지 식을 정리하였다. - A(15점): (26)까지 식을 정리하였다.

(15) 또는 (21)에 의하여 S1(a)=9a44\displaystyle S_1(a)=\frac{9a^4}4이므로 주어진 식에 대입해서 정리하면99sin4θ9cos2θ+18sin2θ=12.(24)\displaystyle \frac{9-9\sin^4\theta}{9\cos^2\theta+18\sin^2\theta}=\frac12.\qquad(24)sin2θ+cos2θ=1\displaystyle \sin^2\theta+\cos^2\theta=1이므로, 주어진 식은1sin4θ1+sin2θ=12.(25)\displaystyle \frac{1-\sin^4\theta}{1+\sin^2\theta}=\frac12.\qquad(25)1sin4θ=(1sin2θ)(1+sin2θ)\displaystyle 1-\sin^4\theta=(1-\sin^2\theta)(1+\sin^2\theta)이므로 주어진 식은1sin2θ=12.(26)\displaystyle 1-\sin^2\theta=\frac12.\qquad(26)

+5점 · 삼각함수가 포함된 방정식을 정확히 풀면 - E(0점): 문제의 의미를 알지 못한다. - A(5점): θ\displaystyle \theta의 값을 정확히 구하였다.

따라서 sinθ=±12\displaystyle \sin\theta=\pm\frac1{\sqrt2}이다. 0<θ<π2\displaystyle 0<\theta<\frac\pi2에서 sinθ>0\displaystyle \sin\theta>0이므로 sinθ=12\displaystyle \sin\theta=\frac1{\sqrt2}이고, 따라서 θ=π4\displaystyle \theta=\frac\pi4이다.

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