수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 1번

문제

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해설강의 준비중

1. 인공위성의 가로, 세로, 높이를 x\displaystyle x, y\displaystyle y, z\displaystyle z라고 하면 부피는 xyz\displaystyle x y z이다.산술 기하 평균을 이용하면 xyzx2+y22z\displaystyle x y z \le \frac{{x^{2} + y^{2}}}{2} z이고 x=y\displaystyle x = y일 때 등호가 성립한다.직육면체 밑면의 대각선의 길이를 p\displaystyle p라고 하면, p2=x2+y2\displaystyle p^{2} = x^{2} + y^{2}이므로 xyzp2z2\displaystyle x y z \le \frac{{p^{2} z}}{2}가 된다.부피가 최대가 되기 위해서는 화물칸에 내접해야 하고, 그 경우 오른쪽 그림과 같이 직육면체 윗면의 꼭짓점이 반구에 닿아야 하므로(zr)2+(p2)2=r2\displaystyle ( z - r )^{2} + \left( \frac{p}{2} \right)^{2} = r^{2}을 만족해야 한다. 즉, p2=4(r2(zr)2)\displaystyle p^{2} = 4 ( r^{2} - ( z - r )^{2} )이 된다. 부피를 z\displaystyle z에 관한 함수 f(z)\displaystyle f ( z )라고 하면f(z)=2z2(z2r)\displaystyle f ( z ) = - 2 z^{2} ( z - 2 r )이다. 또한, 최대 부피를 가지기 위한 z\displaystyle z의 범위는 rz2r\displaystyle r \le z \le 2 r이 된다. 함수 f(z)\displaystyle f ( z )의 극댓값을 구하기 위해 도함수를 구하면f(z)=6z2+8rz=2z(3z4r)\displaystyle f^{\prime} ( z ) = - 6 z^{2} + 8 r z = - 2 z ( 3 z - 4 r )이고, z=4r3\displaystyle z = 4 \frac{r}{3}일 때 극댓값을 갖는다. 따라서 최대 부피는 f(4r3)=64r327\displaystyle f \left( 4 \frac{r}{3} \right) = 64 \frac{r^{3}}{27}이 된다.

반구 안의 직육면체 단면과 높이 z

2. 어떤 부피를 싣기 위한 h\displaystyle h의 최솟값을 구하기 위해서는 우선 h\displaystyle h가 고정되었을 때 부피의 최댓값을 알아야 한다. 앞의 문제와 마찬가지로 인공위성의 가로, 세로, 높이를 x\displaystyle x, y\displaystyle y, z\displaystyle z라 하고 밑면의 대각선의 길이를 p\displaystyle p라고 하자. 부피가 최대가 되기 위해서는 오른쪽 그림과 같이 화물칸에 내접해야 하므로, 삼각형의 닮음을 이용하여h3=2(3+hz)p\displaystyle \frac{h}{3} = \frac{{2 ( 3 + h - z )}}{p}가 되어야 한다. 따라서 p=6(3+hz)h\displaystyle p = \frac{{6 ( 3 + h - z )}}{h}이다. 인공위성의 높이가 z\displaystyle z일 때 부피의 최댓값을 g(z)\displaystyle g ( z )라고 하면g(z)=18z(z(3+h))2h2\displaystyle g ( z ) = \frac{{18 z ( z - ( 3 + h ) )^{2}}}{h^{2}}이 된다. 도함수를 구하면

직원뿔 안의 직육면체 단면과 닮음비

g(z)=18h2(3z24(3+h)z+(3+h)2)=18h2(3z(3+h))(z(3+h))\displaystyle g'(z)=\frac{18}{h^2}(3z^2-4(3+h)z+(3+h)^2)=\frac{18}{h^2}(3z-(3+h))(z-(3+h))이고 z=3+h3\displaystyle z=\frac{3+h}3에서 극댓값을 갖는다. 이 때, h6\displaystyle h\le6이면 z=3\displaystyle z=3에서 최댓값을 갖는데, 그 때 부피는 g(3)=54\displaystyle g(3)=54이므로 h6\displaystyle h\le6일 수 없다. h>6\displaystyle h>6인 경우 극댓값이 최댓값이 되는데, 그 때 부피는 g(3+h3)=18h24(3+h)327=72(3+h)327h2\displaystyle g\left(\frac{3+h}3\right)=\frac{18}{h^2}\frac{4(3+h)^3}{27}=\frac{72(3+h)^3}{27h^2}이다. 즉,72(3+h)327h2=64\displaystyle \frac{72(3+h)^3}{27h^2}=64를 만족해야 한다. h>6\displaystyle h>6에서 방정식 (h+3)3=24h2\displaystyle (h+3)^3=24h^2을 풀면(h3)(h212h9)=0\displaystyle (h-3)(h^2-12h-9)=0이다. 따라서 h=3(2+5)\displaystyle h=3(2+\sqrt5)일 때 부피가 64인 인공위성을 넣을 수 있다.

3. 그림에 주어진 도형을 평면 S\displaystyle \mathrm{S}로 정사영 시키면 다음 그림과 같은 형태의 평면도형이 나온다. 평면 S\displaystyle \mathrm{S}와 그림의 도형의 중심축이 이루는 각도는 π6\displaystyle \frac{\pi}{6}이다. 따라서 중심축과 평행한 길이 l\displaystyle l인 선분은 정사영의 길이가 lcosπ6=l32\displaystyle l \cos \frac{\pi}{6} = \frac{{l \sqrt{3}}}{2}이 된다.정사영을 (A)\displaystyle \left( \mathrm{A} \right), (B)\displaystyle \left( \mathrm{B} \right), (C)\displaystyle \left( \mathrm{C} \right), (D)\displaystyle \left( \mathrm{D} \right)의 네 구역으로 나누어 계산할 수 있다.구의 평면 S\displaystyle \mathrm{S} 위로의 정사영은 구가 된다. 따라서 (A)\displaystyle \left( \mathrm{A} \right)의 넓이는 중심각이 5π3\displaystyle 5 \frac{\pi}{3}인 부채꼴과 한 변의 길이가 1\displaystyle 1인 정삼각형의 넓이이다.Correction. 이 문장의 “구가 된다”는 “원이 된다”의 오기이다. 구의 평면 위로의 정사영은 원과 그 내부로 이루어진 평면도형이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.((A)\displaystyle \left( \mathrm{A} \right)의 넓이)=5π6+34\displaystyle = 5 \frac{\pi}{6} + \frac{\sqrt{3}}{4}(B)\displaystyle \left( \mathrm{B} \right)는 부채꼴과 삼각형의 넓이를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.((B)\displaystyle \left( \mathrm{B} \right)의 넓이)=(π334)(π634)=π6\displaystyle = \left( \frac{\pi}{3} - \frac{\sqrt{3}}{4} \right) - \left( \frac{\pi}{6} - \frac{\sqrt{3}}{4} \right) = \frac{\pi}{6}(C)\displaystyle \left( \mathrm{C} \right)는 정사영에 의해 가로의 길이가 1+32\displaystyle 1 + \frac{\sqrt{3}}{2}이고 세로의 길이가 2\displaystyle 2인 직사각형이므로 다음과 같다.((C)\displaystyle \left( \mathrm{C} \right)의 넓이)=2(1+32)=2+3\displaystyle = 2 \left( 1 + \frac{\sqrt{3}}{2} \right) = 2 + \sqrt{3}

평면 S 위로의 정사영을 A·B·C·D 네 영역으로 나눈 그림

원뿔의 밑면에 있는 점과 꼭짓점에 있는 점을 연결한 모든 선분은 정사영의 범위에 들어가야 한다. 따라서 (D)\displaystyle \left( \mathrm{D} \right)의 선분은 (C)\displaystyle \left( \mathrm{C} \right)안에 있는 타원에 접하게 된다.따라서 (D)\displaystyle \left( \mathrm{D} \right)의 넓이를 구하기 위해서는 접선의 기울기를 구하여야 한다.타원이 원점에 놓여있고, (32,0)\displaystyle \left( \frac{3}{2} , 0 \right)을 지나는 직선이 타원에 접한다고 하자.타원의 방정식은 4x2+y2=1\displaystyle 4 x^{2} + y^{2} = 1이고, 음함수 미분을 이용하여 접선의 기울기를 구할 수 있다.

8xdx+2ydy=0\displaystyle 8x\,dx+2y\,dy=0이므로 dydx=4xy\displaystyle \frac{dy}{dx}=-\frac{4x}y를 얻고, 타원 위의 점 (a,b)\displaystyle (a,b)에서의 접선은 y=4ab(xa)+b\displaystyle y=-\frac{4a}b(x-a)+b가 된다. 이 접선이 점 (32,0)\displaystyle \left(\frac32,0\right)를 지나므로 4ab(32a)+b=0\displaystyle -\frac{4a}b\left(\frac32-a\right)+b=0를 얻고, 타원의 점이므로 4a2+b2=1\displaystyle 4a^2+b^2=1을 만족한다. 두 조건을 만족하는 점 (a,b)\displaystyle (a,b)(16,426), (16,426)\displaystyle \left(\frac16,\frac{4\sqrt2}6\right),\ \left(\frac16,-\frac{4\sqrt2}6\right)이고 접선의 기울기는 각각 12, 12\displaystyle -\frac1{\sqrt2},\ \frac1{\sqrt2}이 된다. 이를 이용하여 (D)의 삼각형의 넓이를 구하면

((D)\displaystyle \left( \mathrm{D} \right)의 넓이)=12\displaystyle = \frac{1}{\sqrt{2}}이다. 이를 모두 더하면 정사영의 넓이를 구할 수 있다.(정사영의 넓이)=π+2+534+22\displaystyle = \pi + 2 + \frac{{5 \sqrt{3}}}{4} + \frac{\sqrt{2}}{2}

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