수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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[1-1 풀이]

반지름의 길이가 r\displaystyle r, 중심각의 크기가 θ\displaystyle \theta인 부채꼴의 호의 길이를 l\displaystyle l, 넓이를 S\displaystyle S라고 하면

제시문 <가>에서 호의 길이는 l=rθ\displaystyle l = r \theta, 넓이는 S=12r2θ\displaystyle S = \frac{1}{2} r^{2} \theta

S=12r2θ\displaystyle S = \frac{1}{2} r^{2} \theta에서 θ=2Sr2\displaystyle \theta = 2 \frac{S}{r^{2}}이므로

둘레의 길이는

2r+l=2r+rθ=2r+2Sr22r2Sr=4S\displaystyle 2 r + l = 2 r + r \theta = 2 r + 2 \frac{S}{r} \geq 2 \sqrt{2 r \cdot 2 \frac{S}{r}} = 4 \sqrt{S}

부채꼴의 둘레의 길이가 최소일 때 즉, 등호가 성립할 때는

2r=2Sr\displaystyle 2 r = 2 \frac{S}{r}r2=S\displaystyle r^{2} = S

θ=2Sr2=2SS=2\displaystyle \theta = 2 \frac{S}{r^{2}} = 2 \frac{S}{S} = 2

[1-2 풀이]

삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}에서 A+B+C=π\displaystyle A + B + C = \pi 이므로 A+B=πC\displaystyle A + B = \pi - C

sin(A+BC2)=sin(π2C2)=sin(π2C)=cosC\displaystyle \sin \left( \frac{{A + B - C}}{2} \right) = \sin \left( \frac{{\pi - 2 C}}{2} \right) = \sin \left( \frac{\pi}{2} - C \right) = \cos C

이므로 sinA=2sin(A+BC2)sinB\displaystyle \sin A = 2 \sin \left( \frac{{A + B - C}}{2} \right) \sin B에서

sinA=2cosCsinB\displaystyle \sin A = 2 \cos C \sin B \displaystyle \cdots \cdots

제시문 <나>에서

sinA=22R=1R\displaystyle \sin A = \frac{2}{2R} = \frac{1}{R}, sinB=32R\displaystyle \sin B = \frac{3}{2R} \displaystyle \cdots \cdots

AB=c\displaystyle \overline{\mathrm{AB}} = c라 하면, 제시문 <다>에서

cosC=4+9c2223=13c212\displaystyle \cos C = \frac{{4 + 9 - c^{2}}}{2 \cdot 2 \cdot 3} = \frac{{13 - c^{2}}}{12} \displaystyle \cdots \cdots

㉡, ㉢을 ㉠에 대입하면

1R=213c21232R\displaystyle \frac{1}{R} = 2 \cdot \frac{{13 - c^{2}}}{12} \cdot \frac{3}{2R}에서 c2=9\displaystyle c^{2} = 9이므로

c=3\displaystyle c = 3

삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이에서

12r(2+3+3)=12×3×2×sinB\displaystyle \frac{1}{2} r ( 2 + 3 + 3 ) = \frac{1}{2} \times 3 \times 2 \times \sin Br=34sinB\displaystyle r = \frac{3}{4} \sin B

삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}는 이등변삼각형이므로 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 중점을 M\displaystyle M이라 하면 BMA=π2\displaystyle \angle \mathrm{BMA} = \frac{\pi}{2}, BM\displaystyle \overline{\mathrm{BM}}의 길이는 1

따라서 sinB=223\displaystyle \sin B = \frac{{2 \sqrt{2}}}{3}이고,

sinB=32R\displaystyle \sin B = \frac{3}{2R}에서 R=942=928\displaystyle R = \frac{9}{4 \sqrt{2}} = \frac{{9 \sqrt{2}}}{8}

r=34sinB\displaystyle r = \frac{3}{4} \sin B 에서 r=22\displaystyle r = \frac{\sqrt{2}}{2}이므로

rR=49\displaystyle \frac{r}{R} = \frac{4}{9}

[1-3 풀이]

삼각형 ABC\displaystyle ABC의 각 꼭짓점 A\displaystyle A, B\displaystyle B, C\displaystyle C의 대변의 길이를 각각 a\displaystyle a, b\displaystyle b, c\displaystyle c라고 하자.

제시문 <나> 사인법칙에 의하여

sinA=a2R\displaystyle \sin A = \frac{a}{2R}, sinB=b2R\displaystyle \sin B = \frac{{b}}{2 R}, sinC=c2R\displaystyle \sin C = \frac{{c}}{2 R}

sinB+sinC=(RsinA12)sinA\displaystyle \sin B + \sin C = \left( R \sin A - \frac{1}{2} \right) \sin A에서 b2R+c2R=(a212)a2R\displaystyle \frac{b}{2R} + \frac{c}{2R} = \left( \frac{a}{2} - \frac{{1}}{2} \right) \frac{a}{2R}이므로

2(b+c)=a2a\displaystyle 2 ( b + c ) = a^{2} - a \displaystyle \cdots \cdots

sinBsinC=12sinA+34R\displaystyle \sin B - \sin C = \frac{1}{2} \sin A + \frac{3}{4R}에서 b2Rc2R=12(a2R+32R)\displaystyle \frac{{b}}{2 R} - \frac{{c}}{2 R} = \frac{1}{2} \left( \frac{a}{2R} + \frac{3}{2R} \right)이므로

2(bc)=a+3\displaystyle 2 ( b - c ) = a + 3 \displaystyle \cdots \cdots

㉠, ㉡에서

b=a2+34\displaystyle b = \frac{{a^{2} + 3}}{4}, c=a22a34\displaystyle c = \frac{{a^{2} - 2 a - 3}}{4}

a\displaystyle a, b\displaystyle b, c\displaystyle c는 삼각형의 세 변의 길이이므로 a>0\displaystyle a > 0, b>0\displaystyle b > 0, c>0\displaystyle c > 0이고,

c=a22a34\displaystyle c = \frac{{a^{2} - 2 a - 3}}{4}에서 4c=(a3)(a+1)>0\displaystyle 4 c = ( a - 3 ) ( a + 1 ) > 0 이므로 a>3\displaystyle a > 3 이다.

ba=a2+34a=a24a+34=(a1)(a3)4>0\displaystyle b - a = \frac{{a^{2} + 3}}{4} - a = \frac{{a^{2} - 4 a + 3}}{4} = \frac{{( a - 1 ) ( a - 3 )}}{4} > 0

bc=a2+34a22a34=2a+64>0\displaystyle b - c = \frac{{a^{2} + 3}}{4} - \frac{{a^{2} - 2 a - 3}}{4} = \frac{{2 a + 6}}{4} > 0

따라서 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 변의 길이의 최댓값은 b=CA\displaystyle b=\overline{\mathrm{CA}}이므로

삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 내각 중 최대는 B\displaystyle \angle B 이다.

제시문 <다>를 이용하면

cosB=a2+c2b22ac=a2(a2a)(a+3)42a×a22a34\displaystyle \cos B = \frac{{a^{2} + c^{2} - b^{2}}}{2 a c} = \frac{{a^{2} - \frac{{( a^{2} - a ) ( a + 3 )}}{4}}}{2 a \times \frac{{a^{2} - 2 a - 3}}{4}}

=4a2a33a2+a2+3a2a(a3)(a+1)\displaystyle = \frac{{4 a^{2} - a^{3} - 3 a^{2} + a^{2} + 3 a}}{2 a ( a - 3 ) ( a + 1 )}

=a3+2a2+3a2a(a3)(a+1)=12\displaystyle = \frac{{- a^{3} + 2 a^{2} + 3 a}}{2 a ( a - 3 ) ( a + 1 )} = - \frac{1}{2}

B=2π3\displaystyle B = \frac{{2 \pi}}{3}

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