수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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[1-1 풀이]

직선 AB와 원 C의 교점 및 원주각 θ와 중심각 2θ

직선 L\displaystyle L의 기울기가 tanθ\displaystyle \tan \theta이고 두 점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}는 원 위의 점이므로 OA=OB\displaystyle \overline{\mathrm{OA}} = \overline{\mathrm{OB}}에서 OAB=OBA=θ\displaystyle \angle \mathrm{OAB} = \angle \mathrm{OBA} = \theta, BOX=2θ\displaystyle \angle \mathrm{BOX}= 2 \theta 이다.

그러므로 B(5cos2θ,5sin2θ)\displaystyle \mathrm{B} ( 5 \cos 2 \theta , 5 \sin 2 \theta ) 또는 B(5(cos2θsin2θ),10sinθcosθ)\displaystyle \mathrm{B} \left( 5 ( \cos^{2} \theta - \sin^{2} \theta ) , 10 \sin \theta \cos \theta \right), B(5(2cos2θ1),10sinθcosθ)\displaystyle \mathrm{B} \left( 5 ( 2 \cos^{2} \theta - 1 ) , 10 \sin \theta \cos \theta \right)

O\displaystyle \mathrm{O}에서 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}에 내린 수선의 발을 H\displaystyle \mathrm{H}라 할 때, d=OH=OAsinθ=5sinθ\displaystyle d = \overline{\mathrm{OH}}= \overline{\mathrm{OA}} \sin \theta= 5 \sin \theta

또한, AH=OAcosθ=5cosθ\displaystyle \overline{\mathrm{AH}} = \overline{\mathrm{OA}} \cos \theta= 5 \cos \theta이므로 l=AB=2×AH=10cosθ\displaystyle l= \overline{\mathrm{AB}}= 2 \times \overline{\mathrm{AH}}= 10 \cos \theta

[1-2 풀이]

θ=π10\displaystyle \theta = \frac{{\pi}}{10}일 때, AOB=45π\displaystyle \angle \mathrm{AOB} = \frac{{4}}{5} \pi이므로 부채꼴 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 호의 길이는 AB^=45π×5=4π\displaystyle \widehat{\mathrm{AB}} = \frac{{4}}{5} \pi \times 5 = 4 \pi이고, 원 C\displaystyle C의 둘레의 길이는 2×5π=10π\displaystyle 2 \times 5 \pi= 10 \pi이므로 부채꼴 OBPA\displaystyle \mathrm{OBPA}의 호의 길이는 BPA^=10π4π=6π\displaystyle \widehat{\mathrm{BPA}}= 10 \pi - 4 \pi= 6 \pi이다.

부채꼴 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}로 만든 원뿔 모양의 용기의 밑면의 반지름을 r1\displaystyle r_{1}이라 하면 r1=AB^2π=4π2π=2\displaystyle r_{1} = \frac{{\widehat{\mathrm{AB}}}}{2 \pi}= \frac{4\pi}{2\pi}= 2이고,

모선의 길이가 원 C\displaystyle C의 반지름 5\displaystyle 5이므로, 원뿔 모양의 용기의 높이는 21\displaystyle \sqrt{21}이다.

그러므로 부채꼴 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}로 만든 원뿔 모양의 용기의 부피를 V1\displaystyle V_{1}이라 할 때 V1=13×π×22×21=4213π\displaystyle V_{1}= \frac{1}{3} \times \pi \times 2^{2} \times \sqrt{21}= \frac{{4 \sqrt{21}}}{3} \pi

같은 방법으로 부채꼴 OBPA\displaystyle \mathrm{OBPA}로 만든 원뿔 용기의 밑면 반지름을 r2\displaystyle r_{2}라 하면 r2=3\displaystyle r_{2} = 3이고, 원뿔 모양의 용기의 높이는 4\displaystyle 4이다. 그러므로 부채꼴 OBPA\displaystyle \mathrm{OBPA}로 만든 원뿔 모양의 용기의 부피를 V2\displaystyle V_{2}라 할 때 V2=12π\displaystyle V_{2} = 12 \pi

따라서 V1=4213π=43π×21\displaystyle V_{1}= \frac{{4 \sqrt{21}}}{3} \pi= \frac{4}{3} \pi \times \sqrt{21}, V2=12π=43π×9\displaystyle V_{2} = 12 \pi= \frac{4}{3} \pi \times 9에서21<9=81\displaystyle \sqrt{21} < 9 = \sqrt{81}이므로 V1<V2\displaystyle V_{1} < V_{2}

[1-3 풀이]

원뿔 모양의 용기의 밑면의 반지름은 r\displaystyle r이고 모선의 길이는 5\displaystyle 5이므로 부피는 V(r)=13πr225r2\displaystyle V ( r ) = \frac{{1}}{3} \pi r^{2} \sqrt{25 - r^{2}}

이때, 0θ<π2\displaystyle 0 \leq \theta < \frac{{\pi}}{2}이므로 r\displaystyle r의 범위는 52r<5\displaystyle \frac{{5}}{2} \leq r < 5이다.

ddrV(r)=23πr25r2π3r325r2=50r3r3325r2π\displaystyle \frac{{d}}{d r} V ( r )= \frac{{2}}{3} \pi r \sqrt{25 - r^{2}} - \frac{{\pi}}{3} \frac{{r^{3}}}{\sqrt{25 - r^{2}}}= \frac{{50 r - 3 r^{3}}}{3 \sqrt{25 - r^{2}}} \pi이므로

원뿔의 부피 V(r)의 증감표

따라서 r=563\displaystyle r = \frac{{5 \sqrt{6}}}{3}에서 V(r)\displaystyle V ( r )이 극댓값을 가지므로 V(r)\displaystyle V ( r )의 최댓값은 V=V(563)=250327π\displaystyle V= V \left( \frac{{5 \sqrt{6}}}{3} \right)= \frac{{250 \sqrt{3}}}{27} \pi

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