수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2번] 다음 제시문 <가>~<마>를 읽고 물음에 답하시오. (50점)

<가> 일반적으로 좌표평면 위의 점 P(x,y)\displaystyle P(x,y)를 식{x′=ax+byy′=cx+dy(a,b,c,d는 상수)\displaystyle \begin{cases}x^{\prime}=ax+by\\y^{\prime}=cx+dy\end{cases}\quad(a,b,c,d\text{는 상수})에 의하여 점 P′(x′,y′)\displaystyle P^{\prime}(x^{\prime},y^{\prime})으로 옮기는 변환을 일차변환이라고 한다.이 때 행렬 (abcd)\displaystyle \begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}를 이 일차변환의 행렬이라고 한다.

<나> 원점을 닮음의 중심으로 하는 닮음비가 k (k≠0)\displaystyle k\ (k\ne0)인 닮음변환, 원점을 중심으로 각 θ\displaystyle \theta만큼 회전하는 회전변환, 원점을 지나는 직선에 대한 대칭변환 등은 일차변환이다.

<다> 두 일차변환 f,g\displaystyle f,g의 행렬을 각각 A,B\displaystyle A,B라 하면 합성변환 g∘f\displaystyle g\circ f의 행렬은 BA\displaystyle BA이다.

<라> 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 x=a\displaystyle x=a에서 x=b\displaystyle x=b까지의 길이 l\displaystyle l은l=∫ab1+(f′(x))2 dx\displaystyle l=\int_a^b\sqrt{1+(f^{\prime}(x))^2}\,dx

<마> ddx(ln⁡(tan⁡x+sec⁡x))=sec⁡x\displaystyle \frac d{dx}(\ln(\tan x+\sec x))=\sec x

1. 닮음변환과 대칭변환을 합성하여 만든 일차변환 중 포물선 2y=x2\displaystyle 2y=x^2을 포물선 8x=y2\displaystyle 8x=y^2으로 옮기는 일차변환을 두 개 구하시오.

2. 포물선 2y=x2\displaystyle 2y=x^2의 −1≤x≤1\displaystyle -1\le x\le1인 부분을 C\displaystyle C라 하고, 위 1번의 일차변환에 의해 C\displaystyle C가 옮겨진 곡선을 C′\displaystyle C^{\prime}이라 할 때 C\displaystyle C와 C′\displaystyle C^{\prime}의 길이를 구하시오.

3. 좌표평면 위에 원점을 지나지 않는 직선 l\displaystyle l이 있다. f\displaystyle f는 원점을 중심으로 각 π6\displaystyle \frac\pi6만큼 회전하는 회전변환이다. 직선 l\displaystyle l위의 점 중 f\displaystyle f를 반복해서 적용하여 l\displaystyle l위의 다른 점으로 옮겨지는 것 모두들의 집합을 S\displaystyle S라 하자. 즉, S\displaystyle S는 다음 조건을 만족하는 l\displaystyle l위의 모든 점 P\displaystyle P의 집합이다.조건: f(P),f(f(P)),f(f(f(P))),⋯\displaystyle f(P),f(f(P)),f(f(f(P))),\cdots 중 P\displaystyle P가 아닌 l\displaystyle l위의 점이 있다.S\displaystyle S의 원소의 개수를 구하시오.

해설강의 준비중

문항 1) 포물선 2y=x2\displaystyle 2y=x^2을 직선 y=x\displaystyle y=x에 대해 대칭이동하면 2x=y2\displaystyle 2x=y^2닮음변환 {x′=kxy′=ky\displaystyle \begin{cases}x^{\prime}=kx\\y^{\prime}=ky\end{cases}의 역변환은 {x=1kx′y=1ky′\displaystyle \begin{cases}x=\frac1kx^{\prime}\\y=\frac1ky^{\prime}\end{cases}2x=y2\displaystyle 2x=y^2에서 2kx′=y′2\displaystyle 2kx^{\prime}=y^{\prime2}. 이것이 8x=y2\displaystyle 8x=y^2과 같은 곡선을 나타내려면, k=4\displaystyle k=4. 따라서,(4004)(0110)=(0440)\displaystyle \begin{pmatrix}4&0\\0&4\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&4\\4&0\end{pmatrix}이 구하는 행렬 중 하나. 또한 포물선 8x=4y2\displaystyle 8x=4y^2은 x\displaystyle x축에 대칭이므로Correction. 포물선의 식 8x=4y2\displaystyle 8x=4y^2는 8x=y2\displaystyle 8x=y^2의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.(100−1)(0440)=(04−40)\displaystyle \begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0&4\\4&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&4\\-4&0\end{pmatrix}도 조건을 만족.

문항 2) l=∫−111+x2 dx\displaystyle l=\int_{-1}^1\sqrt{1+x^2}\,dx, x=tan⁡θ\displaystyle x=\tan\theta로 치환하면, −1≤x≤1\displaystyle -1\le x\le1일 때, −π4≤θ≤π4\displaystyle -\frac\pi4\le\theta\le\frac\pi4l=∫−π4π41+tan⁡2θ(tan⁡θ)′ dθ=∫−π4π4sec⁡3θ dθ=∫−π4π4sec⁡θ(1+tan⁡2θ) dθ=[ln⁡(sec⁡θ+tan⁡θ)]−π4π4+∫−π4π4(sec⁡θ)′tan⁡θ dθ\displaystyle \begin{aligned}l&=\int_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}\sqrt{1+\tan^2\theta}(\tan\theta)^{\prime}\,d\theta=\int_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}\sec^3\theta\,d\theta\\&=\int_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}\sec\theta(1+\tan^2\theta)\,d\theta\\&=\Biggl[\ln(\sec\theta+\tan\theta)\Biggr]_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}+\int_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}(\sec\theta)^{\prime}\tan\theta\,d\theta\end{aligned}l=12[ln⁡(sec⁡θ+tan⁡θ)]−π4π4+12[sec⁡θtan⁡θ]−π4π4=ln⁡(2+1)+2\displaystyle l=\frac12\Biggl[\ln(\sec\theta+\tan\theta)\Biggr]_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}+\frac12\Biggl[\sec\theta\tan\theta\Biggr]_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}=\ln(\sqrt2+1)+\sqrt2C′\displaystyle C^{\prime}은 8x=y2, −4≤y≤4\displaystyle 8x=y^2,\ -4\le y\le4이므로 C′\displaystyle C^{\prime}의 길이 l′\displaystyle l^{\prime}은l′=∫−441+(ddy(18y2))2 dy=∫−441+(14y)2 dy\displaystyle l^{\prime}=\int_{-4}^4\sqrt{1+(\frac d{dy}(\frac18y^2))^2}\,dy=\int_{-4}^4\sqrt{1+(\frac14y)^2}\,dy14y=x\displaystyle \frac14y=x로 치환하면l′=4∫−111+x2 dx=4l\displaystyle l^{\prime}=4\int_{-1}^1\sqrt{1+x^2}\,dx=4ll′=4(ln⁡(2+1)+2)\displaystyle l^{\prime}=4(\ln(\sqrt2+1)+\sqrt2)

문항 3)

O를 중심으로 X를 X′으로 회전시키고 직선 l에 내린 수선 OH

l\displaystyle l위의 점 X\displaystyle X에 f\displaystyle f를 반복 적용하여 X\displaystyle X가 l\displaystyle l위의 다른 점 X′\displaystyle X^{\prime}으로 옮겨졌다고 하자.f\displaystyle f가 O\displaystyle O를 회전축으로 하는 회전변환이므로 OX=OX′\displaystyle OX=OX^{\prime}이고π6\displaystyle \frac\pi6만큼의 회전이므로 ∠XOX′=π6n, n=1,2,3,4,5\displaystyle \angle XOX^{\prime}=\frac\pi6n,\ n=1,2,3,4,5∠XOX′=π6n\displaystyle \angle XOX^{\prime}=\frac\pi6n이면 X\displaystyle X에 f\displaystyle f를 n\displaystyle n번 혹은 (12−n)\displaystyle (12-n)번 적용하면 X′\displaystyle X^{\prime}으로 옮겨진다. X′\displaystyle X^{\prime}도 마찬가지로 X\displaystyle X로 옮겨진다.따라서 10개

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