수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오전) 1번

문제

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[문제 1]1. 제시문 <가>의 곡선은x(t)=2sint\displaystyle x ( t ) = 2 \sin t, y(t)=3cos(2t)=3(12sin2t)=3{1x(t)22}\displaystyle y ( t ) = 3 \cos ( 2 t ) = 3 ( 1 - 2 \sin^{2} t ) = 3 \left\{ 1 - \frac{{x ( t )^{2}}}{2} \right\}이다. 즉, y=3(1x22)\displaystyle y = 3 \left( 1 - \frac{x^{2}}{2} \right) (2x2)\displaystyle \left( - 2 \le x \le 2 \right)이다.이 곡선이 점 (±2,0)\displaystyle \left( \pm \sqrt{2} , 0 \right)에서 x\displaystyle x축과 만나므로, F(2,0)\displaystyle {\mathrm{F}} \left( \sqrt{2} , 0 \right), F(2,0)\displaystyle {\mathrm{F}^{\prime}} ( - \sqrt{2} , 0 )으로 놓을 수 있다. 그리고 P(0,3)\displaystyle {\mathrm{P}} ( 0 , 3 ), Q(0,3)\displaystyle \mathrm{Q} \left( 0 , - 3 \right)이다. 그러므로 두 초점이 F\displaystyle \mathrm{F}, F\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}이고 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}가 단축인 타원의 장축의 길이는 232+2=211\displaystyle 2 \sqrt{3^{2} + 2} = 2 \sqrt{11}이다. 이로부터 구하는 타원의 방정식은x211+y29=1\displaystyle \frac{x^{2}}{11} + \frac{y^{2}}{9} = 1

2. A=1\displaystyle A = 1, B=3\displaystyle B = 3, 3π4<θ<π\displaystyle 3 \frac{\pi}{4} < \theta < \pi일 때, 제시문 <가>의 곡선이 x\displaystyle x축과 만나는 점 R\displaystyle \mathrm{R}의 좌표를 계산하자.y(t)=3cos(2t+θ)=0\displaystyle y ( t ) = 3 \cos ( 2 t + \theta ) = 0그런데 3π4<2t+θ<7π4\displaystyle 3 \frac{\pi}{4} < 2 t + \theta < 7 \frac{\pi}{4}이므로 2t+θ=3π2\displaystyle 2 t + \theta = 3 \frac{\pi}{2}, 즉, t=3π4θ2\displaystyle t = 3 \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2}가 되고 이로부터 x(t)=sin(3π4θ2)\displaystyle x ( t ) = \sin \left( 3 \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right)를 얻는다. 따라서 R\displaystyle \mathrm{R}의 좌표는 (sin(3π4θ2),0)\displaystyle \left( \sin \left( 3 \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) , 0 \right)이다.제시문 <가>의 곡선이 y\displaystyle y축과 만나는 점 S\displaystyle \mathrm{S}의 좌표를 계산하자.x(t)=sint=0\displaystyle x ( t ) = \sin t = 0그런데 0t3π8\displaystyle 0 \le t \le 3 \frac{\pi}{8}이므로 t=0\displaystyle t = 0이고 y(0)=3cosθ\displaystyle y ( 0 ) = 3 \cos \theta이다. 따라서 S\displaystyle \mathrm{S}의 좌표는 (0,3cosθ)\displaystyle \left( 0 , 3 \cos \theta \right)이다.이제 y\displaystyle y좌표가 최소가 되는 점 T\displaystyle \mathrm{T}를 찾자. cos(2t+θ)=1\displaystyle \cos ( 2 t + \theta ) = - 1일 때 y\displaystyle y좌표가 최소가 되므로, 2t+θ=π\displaystyle 2 t + \theta = \pi, 즉 t=π2θ2\displaystyle t = \frac{\pi}{2} - \frac{\theta}{2}를 얻는다. 따라서 T\displaystyle \mathrm{T}의 좌표는 (sin(π2θ2),3)\displaystyle \left( \sin \left( \frac{\pi}{2} - \frac{\theta}{2} \right) , - 3 \right)=(cosθ2,3)\displaystyle = \left( \cos \frac{\theta}{2} , - 3 \right)이다. 점 U\displaystyle \mathrm{U}는 점 T\displaystyle \mathrm{T}y\displaystyle y축에 대하여 대칭 이동하여 얻어지므로 U\displaystyle \mathrm{U}의 좌표는 (cosθ2,3)\displaystyle \left( - \cos \frac{\theta}{2} , - 3 \right)이다.그러므로f(θ)=RUST\displaystyle f ( \theta ) = \overrightarrow{\mathrm{RU}} \bullet \overrightarrow{\mathrm{ST}}=(cosθ2sin(3π4θ2),3)(cosθ2,33cosθ)\displaystyle = \left( - \cos \frac{\theta}{2} - \sin \left( 3 \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) , - 3 \right) \bullet \left( \cos \frac{\theta}{2} , - 3 - 3 \cos \theta \right)=cosθ2(cosθ2sin(3π4θ2))+9+9cosθ\displaystyle = \cos \frac{\theta}{2} \left( - \cos \frac{\theta}{2} - \sin \left( 3 \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) \right) + 9 + 9 \cos \theta삼각함수의 덧셈정리에 의하면f(θ)=cosθ2sinθ2+12(sinθ2sin(3π4θ2)+cosθ2cos(3π4θ2))9sinθ\displaystyle f^{\prime} ( \theta ) = \cos \frac{\theta}{2} \sin \frac{\theta}{2} + \frac{1}{2} \left( \sin \frac{\theta}{2} \sin \left( 3 \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) + \cos \frac{\theta}{2} \cos \left( 3 \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) \right) - 9 \sin \theta=12sinθ+12cos(3π4θ)9sinθ=172sinθ+12cos(3π4θ)\displaystyle = \frac{1}{2} \sin \theta + \frac{1}{2} \cos \left( 3 \frac{\pi}{4} - \theta \right) - 9 \sin \theta = - \frac{17}{2} \sin \theta + \frac{1}{2} \cos \left( 3 \frac{\pi}{4} - \theta \right)θ\displaystyle \theta5π6\displaystyle 5 \frac{\pi}{6}를 넣으면 f(5π6)=172sin5π6+12cosπ12\displaystyle f^{\prime} \left( 5 \frac{\pi}{6} \right) = - \frac{17}{2} \sin 5 \frac{\pi}{6} + \frac{1}{2} \cos \frac{\pi}{12}그런데 sin5π6=12\displaystyle \sin 5 \frac{\pi}{6} = \frac{1}{2}이고 cosπ12=cos(π3π4)=cosπ3cosπ4+sinπ3sinπ4=6+24\displaystyle \cos \frac{\pi}{12} = \cos \left( \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4} \right) = \cos \frac{\pi}{3} \cos \frac{\pi}{4} + \sin \frac{\pi}{3} \sin \frac{\pi}{4} = \frac{{\sqrt{6} + \sqrt{2}}}{4}이므로f(5π6)=174+6+28\displaystyle f^{\prime} \left( 5 \frac{\pi}{6} \right) = - \frac{17}{4} + \frac{{\sqrt{6} + \sqrt{2}}}{8}

3. x(t)2+2y(t)2=sin2t+cos2t=1\displaystyle x ( t )^{2} + 2 y ( t )^{2} = \sin^{2} t + \cos^{2} t = 1이므로 제시문 <나>의 곡선은 타원 x2+2y2=1\displaystyle x^{2} + 2 y^{2} = 1이다.기울기가 m\displaystyle m인 접선의 방정식을 y=mx+n\displaystyle y = m x + n라 하면, 교점의 x\displaystyle x좌표는 x2+2(mx+n)2=1\displaystyle x^{2} + 2 ( m x + n )^{2} = 1을 만족한다. 중근을 가져야 하므로,D/4=(2mn)2(1+2m2)(2n21)=0\displaystyle D / 4 = ( 2 m n )^{2} - ( 1 + 2 m^{2} ) ( 2 n^{2} - 1 ) = 02n2=2m2+1\displaystyle 2 n^{2} = 2 m^{2} + 1n=±m2+12\displaystyle n = \pm \sqrt{m^{2} + \frac{1}{2}}따라서 기울기가 m\displaystyle m인 접선의 방정식은 y=mx±m2+12\displaystyle y = m x \pm \sqrt{m^{2} + \frac{1}{2}}이다.기울기가 m\displaystyle m인 접선이 점 P(a,b)\displaystyle {\mathrm{P}} \left( a , b \right)를 지날 때(a±1)\displaystyle \left( a \ne \pm 1 \right)b=ma±m2+12\displaystyle b = m a \pm \sqrt{m^{2} + \frac{1}{2}}(bma)2=m2+12\displaystyle ( b - m a )^{2} = m^{2} + \frac{1}{2}(a21)m22abm+b212=0\displaystyle ( a^{2} - 1 ) m^{2} - 2 a b m + b^{2} - \frac{1}{2} = 0\displaystyle \cdots \cdots식 ①의 두 근을 m1\displaystyle m_{1}, m2\displaystyle m_{2}라 하면, 두 직선이 서로 수직으로 만날 조건에 의해 m1m2=b212a21=1\displaystyle m_{1} m_{2} = \frac{{b^{2} - \frac{1}{2}}}{a^{2} - 1} = - 1이다. 따라서 a2+b2=32\displaystyle a^{2} + b^{2} = \frac{3}{2}을 만족한다. 한편, a=±1\displaystyle a = \pm 1일 때 즉, 점 P(a,b)\displaystyle {\mathrm{P}} \left( a , b \right)의 좌표가 (1,22)\displaystyle \left( 1 , \frac{\sqrt{2}}{2} \right), (1,22)\displaystyle \left( 1 , - \frac{\sqrt{2}}{2} \right), (1,22)\displaystyle \left( - 1 , \frac{\sqrt{2}}{2} \right), (1,22)\displaystyle \left( - 1 , - \frac{\sqrt{2}}{2} \right)일 때도 모두 타원에 그은 접선은 수직이고, a2+b2=32\displaystyle a^{2} + b^{2} = \frac{3}{2}을 만족하므로 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 자취는 중심이 원점 (0,0)\displaystyle \left( 0 , 0 \right)이고 반지름이 32\displaystyle \sqrt{\frac{3}{2}}인 원이다.

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