수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 3번

문제

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해설강의 준비중

좌표평면의 원 x2+y2=16\displaystyle x^{2}+y^{2}=16 위의 두 점 A(6+2,62),B(62,6+2)\displaystyle \mathrm{A}(\sqrt{6}+\sqrt{2},\sqrt{6}-\sqrt{2}),\mathrm{B}(\sqrt{6}-\sqrt{2},\sqrt{6}+\sqrt{2})에 대하여 다음 물음에 답하시오.

+4점 · 기울기의 공식으로 두 점 A,B\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B}를 지나는 직선의 기울기 1\displaystyle -1을 바르게 구함. 직선의 방정식 y=x+26\displaystyle y=x+2\sqrt{6}을 바르게 구함.

Correction. 채점기준의 y=x+26\displaystyle y=x+2\sqrt6y=x+26\displaystyle y=-x+2\sqrt6의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

3-(1) 두 점 A,B\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B}를 지나는 직선의 방정식을 구하시오.[풀이]두 점 A,B\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B}를 지나는 직선의 기울기가 (6+2)(62)(62)(6+2)=2222=1\displaystyle \frac{(\sqrt{6}+\sqrt{2})-(\sqrt{6}-\sqrt{2})}{(\sqrt{6}-\sqrt{2})-(\sqrt{6}+\sqrt{2})}=\frac{2\sqrt{2}}{-2\sqrt{2}}=-1이므로 구하는 직선의 방정식은 y=1(x62)+62=x+26\displaystyle y=-1\cdot(x-\sqrt{6}-\sqrt{2})+\sqrt{6}-\sqrt{2}=-x+2\sqrt{6}이다.

+8점 · 두 선분 OA,OB\displaystyle \mathrm{OA},\mathrm{OB}x\displaystyle x축과 이루는 각 α,β\displaystyle \alpha,\beta에 대하여 tanα=23\displaystyle \tan\alpha=2-\sqrt{3}이고 tanβ=2+3\displaystyle \tan\beta=2+\sqrt{3}임을 바르게 구함. 탄젠트함수의 덧셈정리를 활용하여 tan(βα)=3\displaystyle \tan(\beta-\alpha)=\sqrt{3}을 바르게 구함. 두 선분 OA,OB\displaystyle \mathrm{OA},\mathrm{OB}가 이루는 각 βα=π3\displaystyle \beta-\alpha=\frac{\pi}{3}를 구함. 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이 4π3=4π3\displaystyle 4\cdot\frac{\pi}{3}=\frac{4\pi}{3}를 바르게 구함.

3-(2) 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이를 구하시오. (단, 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}는 제1사분면에 있다.)[풀이]두 선분 OA,OB\displaystyle \mathrm{OA},\mathrm{OB}x\displaystyle x축과 이루는 각을 각각 α,β\displaystyle \alpha,\beta라고 하면 tanα=626+2=23\displaystyle \tan\alpha=\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{\sqrt{6}+\sqrt{2}}=2-\sqrt{3}이고 tanβ=6+262=2+3\displaystyle \tan\beta=\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{\sqrt{6}-\sqrt{2}}=2+\sqrt{3}이다. 탄젠트함수의 덧셈정리에 따라tan(βα)=tanβtanα1+tanβtanα=2+3(23)1+(2+3)(23)=3\displaystyle \tan(\beta-\alpha)=\frac{\tan\beta-\tan\alpha}{1+\tan\beta\cdot\tan\alpha}=\frac{2+\sqrt{3}-(2-\sqrt{3})}{1+(2+\sqrt{3})(2-\sqrt{3})}=\sqrt{3}이므로 원점 O\displaystyle \mathrm{O}에 대하여 두 선분 OA,OB\displaystyle \mathrm{OA},\mathrm{OB}가 이루는 각은 βα=π3\displaystyle \beta-\alpha=\frac{\pi}{3}이다. 원의 반지름이 4\displaystyle 4이므로 구하는 호의 길이는 4π3=4π3\displaystyle 4\cdot\frac{\pi}{3}=\frac{4\pi}{3}이다.

+7점 · 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}로 둘러싸인 도형의 넓이는 부채꼴 AOB\displaystyle \mathrm{AOB}의 넓이에서 삼각형 AOB\displaystyle \mathrm{AOB}의 넓이를 뺀 것임을 바르게 설명함. 부채꼴의 넓이 1242π3=8π3\displaystyle \frac{1}{2}\cdot4^{2}\cdot\frac{\pi}{3}=\frac{8\pi}{3}를 구함. 삼각형의 넓이 1242sinπ3=43\displaystyle \frac{1}{2}\cdot4^{2}\cdot\sin\frac{\pi}{3}=4\sqrt{3}을 구함. 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}로 둘러싸인 도형의 넓이는 8π343\displaystyle \frac{8\pi}{3}-4\sqrt{3}임을 구함.

3-(3) 문항 (2)의 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오.[풀이]AB\displaystyle \mathrm{AB}와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}로 둘러싸인 도형의 넓이는 부채꼴 AOB\displaystyle \mathrm{AOB}의 넓이에서 삼각형 AOB\displaystyle \mathrm{AOB}의 넓이를 뺀 것이다. 문항 (2)에서 구한 중심각이 π3\displaystyle \frac{\pi}{3}이므로 부채꼴의 넓이는 1242π3=8π3\displaystyle \frac{1}{2}\cdot4^{2}\cdot\frac{\pi}{3}=\frac{8\pi}{3}이고 삼각형의 넓이는 1242sinπ3=43\displaystyle \frac{1}{2}\cdot4^{2}\cdot\sin\frac{\pi}{3}=4\sqrt{3}이므로 구하는 넓이는 8π343\displaystyle \frac{8\pi}{3}-4\sqrt{3}이다.

+11점 · 집합 C\displaystyle C의 점은 (x+1)2+y2=cos2θ+sin2θ=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=\cos^{2}\theta+\sin^{2}\theta=1으로 나타나는 원의 점이며, 이 원의 한 점과 문항 (1)에서 구한 직선 사이의 거리가 최대일 때 구하는 도형의 넓이가 최대가 됨을 설명함. 원 (x+1)2+y2=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=1의 중심 (1,0)\displaystyle (-1,0)과 문항 (1)에서 구한 직선 x+y26=0\displaystyle x+y-2\sqrt{6}=0과의 거리 22+23\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}+2\sqrt{3}를 바르게 구하고 이 값에 반지름 1\displaystyle 1을 더하여 최대 거리가 22+23+1\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}+2\sqrt{3}+1를 구함. 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이 4\displaystyle 4를 바르게 구하고 도형의 넓이 S(θ)\displaystyle S(\theta)가 최댓값일 때의 삼각형 PAB\displaystyle \mathrm{PAB}의 넓이는 2+43+2\displaystyle \sqrt{2}+4\sqrt{3}+2를 구함. 문항 (3)에서 도형의 넓이 8π343\displaystyle \frac{8\pi}{3}-4\sqrt{3}를 더하여 구하는 넓이의 최댓값은 8π3+2+2\displaystyle \frac{8\pi}{3}+\sqrt{2}+2를 구함.

3-(4) 좌표평면의 집합 C={(cosθ1,sinθ)0θ<2π}\displaystyle C=\{(\cos\theta-1,\sin\theta)\mid0\le\theta<2\pi\}에 속하는 점 P(cosθ1,sinθ)\displaystyle \mathrm{P}(\cos\theta-1,\sin\theta)에 대하여 문항 (2)의 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 두 선분 AP,BP\displaystyle \mathrm{AP},\mathrm{BP}로 둘러싸인 도형의 넓이를 S(θ)\displaystyle S(\theta)라 할 때, S(θ)\displaystyle S(\theta)의 최댓값을 구하시오.[풀이]집합 C\displaystyle C의 점은 (x+1)2+y2=cos2θ+sin2θ=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=\cos^{2}\theta+\sin^{2}\theta=1으로 나타나는 원의 점이다. 이 원의 한 점과 문항 (1)에서 구한 직선 사이의 거리가 최대일 때 구하는 도형의 넓이가 최대가 된다. 원 (x+1)2+y2=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=1의 중심 (1,0)\displaystyle (-1,0)과 문항 (1)에서 구한 직선 x+y26=0\displaystyle x+y-2\sqrt{6}=0과의 거리가(1)+02612+12=22+23\displaystyle \frac{|(-1)+0-2\sqrt{6}|}{\sqrt{1^{2}+1^{2}}}=\frac{\sqrt{2}}{2}+2\sqrt{3}이므로 이 값에 반지름 1\displaystyle 1을 더하면 최대 거리가 22+23+1\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}+2\sqrt{3}+1이다. 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이가{(62)(6+2)}2+{(6+2)(62)}2=4\displaystyle \sqrt{\{(\sqrt{6}-\sqrt{2})-(\sqrt{6}+\sqrt{2})\}^{2}+\{(\sqrt{6}+\sqrt{2})-(\sqrt{6}-\sqrt{2})\}^{2}}=4이므로 도형의 넓이 S(θ)\displaystyle S(\theta)가 최댓값일 때의 삼각형 PAB\displaystyle \mathrm{PAB}의 넓이는124(22+23+1)=2+43+2\displaystyle \frac{1}{2}\cdot4\cdot\left(\frac{\sqrt{2}}{2}+2\sqrt{3}+1\right)=\sqrt{2}+4\sqrt{3}+2이다.문항 (3)에서 구한 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}로 둘러싸인 도형의 넓이 8π343\displaystyle \frac{8\pi}{3}-4\sqrt{3}를 더하면 구하는 넓이의 최댓값은 (8π343)+(2+43+2)=8π3+2+2\displaystyle \left(\frac{8\pi}{3}-4\sqrt{3}\right)+(\sqrt{2}+4\sqrt{3}+2)=\frac{8\pi}{3}+\sqrt{2}+2이다.

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