수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후1) 1번

문제

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+15점 · 일차변환에 의한 곡선의 변화를 이해하는가?

1.일차변환 f\displaystyle f에 의하여 점 (x,y)\displaystyle (x,y)가 점 (x,y)\displaystyle (x^{\prime},y^{\prime})으로 옮겨진다고 하면 (xy)=(2003)=(2x3y)\displaystyle \begin{pmatrix}x^{\prime}\\y^{\prime}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2x\\3y\end{pmatrix}이므로 x=x2,y=y3\displaystyle x=\frac{x^{\prime}}2,y=\frac{y^{\prime}}3이다. 이 식을 (x1)2+(y2)2=1\displaystyle (x-1)^2+(y-2)^2=1에 대입하면 (x21)2+(y32)2=1\displaystyle \left(\frac{x^{\prime}}2-1\right)^2+\left(\frac{y^{\prime}}3-2\right)^2=1이 된다.

+15점 · 정확하게 이동된 곡선의 방정식을 구했는가?

따라서 곡선 A1\displaystyle A_1은 타원이고, A1\displaystyle A_1의 방정식은(x2)222+(y6)232=1\displaystyle \frac{(x-2)^2}{2^2}+\frac{(y-6)^2}{3^2}=1이다.

+15점 · An\displaystyle A_n이 어떤 곡선인지 정확하게 파악하고 그 방정식을 구했는가?

2.1번에서와 같은 방법을 반복하면 임의의 자연수 n\displaystyle n에 대하여 곡선 An\displaystyle A_n은 타원이 되고, 그 방정식은(x2n)2(2n)2+(y23n)2(3n)2=1\displaystyle \frac{(x-2^n)^2}{(2^n)^2}+\frac{(y-2\cdot3^n)^2}{(3^n)^2}=1이다. 제시문 <다>에 의해 타원 An\displaystyle A_n의 넓이는 π2n3n=6nπ\displaystyle \pi2^n3^n=6^n\pi이다.

+15점 · 무한급수를 정확하게 계산했는가?

따라서n=1πSn=n=1π6nπ=1/611/6=15\displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac\pi{S_n}=\sum_{n=1}^\infty\frac\pi{6^n\pi}=\frac{1/6}{1-1/6}=\frac15

+10점 · 두 일차변환의 합성을 나타내는 행렬을 구할 수 있는가?

3.일차변환 fg\displaystyle f\circ g를 나타내는 행렬은 AB=(2003)(0110)=(0230)\displaystyle AB=\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0&1\\-1&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&2\\-3&0\end{pmatrix}이고,

+20점 · Bn\displaystyle B_n이 어떤 곡선인지 정확하게 파악하고 그 방정식을 구했는가?

(x,y)\displaystyle (x,y)가 일차변환 fg\displaystyle f\circ g에 의하여 점 (x,y)\displaystyle (x^{\prime},y^{\prime})으로 옮겨진다고 하면 (xy)=(0230)=(2y3x)\displaystyle \begin{pmatrix}x^{\prime}\\y^{\prime}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&2\\-3&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2y\\-3x\end{pmatrix}이므로 x=y3,y=x2\displaystyle x=-\frac{y^{\prime}}3,y=\frac{x^{\prime}}2이다. 이 식을 (x1)2+(y2)2=1\displaystyle (x-1)^2+(y-2)^2=1에 대입하면 (y31)2+(x22)2=1\displaystyle \left(-\frac{y^{\prime}}3-1\right)^2+\left(\frac{x^{\prime}}2-2\right)^2=1이 된다. 따라서 곡선 B1\displaystyle B_1은 타원이고, B1\displaystyle B_1의 방정식은(x4)222+(y+3)232=1\displaystyle \frac{(x-4)^2}{2^2}+\frac{(y+3)^2}{3^2}=1이다. 타원 B1\displaystyle B_1을 일차변환 fg\displaystyle f\circ g에 의하여 옮긴 곡선 B2\displaystyle B_2의 방정식은 (y34)222+(x2+3)232=1\displaystyle \frac{(-\frac y3-4)^2}{2^2}+\frac{(\frac x2+3)^2}{3^2}=1이고, 이를 다시 정리하면(x+6)22232+(y+12)22232=1\displaystyle \frac{(x+6)^2}{2^2\cdot3^2}+\frac{(y+12)^2}{2^2\cdot3^2}=1이 된다. 즉, 곡선 B2\displaystyle B_2는 반지름의 길이가 6인 원이 된다. 위의 과정을 반복하면 임의의 자연수 m\displaystyle m에 대하여 곡선 B2m1\displaystyle B_{2m-1}은 타원이 되고 곡선 B2m\displaystyle B_{2m}은 원이 된다. 이 때 B2m1\displaystyle B_{2m-1}B2m\displaystyle B_{2m}의 방정식은 각각B2m1: (x4(6)m1)22262(m1)+(y+3(6)m1)23262(m1)=1\displaystyle B_{2m-1}:\ \frac{(x-4(-6)^{m-1})^2}{2^2\cdot6^{2(m-1)}}+\frac{(y+3(-6)^{m-1})^2}{3^2\cdot6^{2(m-1)}}=1B2m: (x(6)m)2+(y2(6)m)2=62m\displaystyle B_{2m}:\ (x-(-6)^m)^2+(y-2(-6)^m)^2=6^{2m}이다. 따라서 타원 B2m1\displaystyle B_{2m-1}의 넓이 S2m1\displaystyle S_{2m-1}과 원 B2m\displaystyle B_{2m}의 넓이 S2m\displaystyle S_{2m}은 각각S2m1=π(26m1)(36m1)=62m1π\displaystyle S_{2m-1}=\pi(2\cdot6^{m-1})(3\cdot6^{m-1})=6^{2m-1}\piS2m=62mπ\displaystyle S_{2m}=6^{2m}\pi이다.

+10점 · 무한급수를 정확하게 계산했는가?

결국n=1πSn=m=1(πS2m1+πS2m)=n=1π6nπ=n=116n=1/611/6=15\displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac\pi{S_n}=\sum_{m=1}^\infty\left(\frac\pi{S_{2m-1}}+\frac\pi{S_{2m}}\right)=\sum_{n=1}^\infty\frac\pi{6^n\pi}=\sum_{n=1}^\infty\frac1{6^n}=\frac{1/6}{1-1/6}=\frac15Correction. 두 좌표변환식은 각각 (xy)=(2003)(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}x^{\prime}\\y^{\prime}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2&0\\0&3\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}(xy)=(0230)(xy)\displaystyle \begin{pmatrix}x^{\prime}\\y^{\prime}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0&2\\-3&0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}로 읽으면 된다. 소문항 3에서 곡선 Bₙ의 넓이는 Tₙ이므로 이 부분의 S는 T로 읽으면 된다. 이어지는 좌표 계산과 최종 급수 값 1/5에는 영향이 없다.

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