수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오전) 2번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · 그림자의 위치를 시간t\displaystyle t에 대한 함수로 구했는가?

1.수직으로 던진 공의 t\displaystyle t초 후의 공의 높이를 h(t)\displaystyle h(t)라 하면 제시문에 의해 h(t)=20t5t2, h(t)=2010t\displaystyle h(t)=20t-5t^2,\ h^{\prime}(t)=20-10t이다.h(t)=5(t2)2+20<50\displaystyle h(t)=-5(t-2)^2+20<50이므로 항상 그림자가 생긴다.삼각형의 닮음을 이용하면 h(t)x(t)=50x(t)+30\displaystyle \frac{h(t)}{x(t)}=\frac{50}{x(t)+30}이고h(t)(x(t)+30)=50x(t)\displaystyle h(t)(x(t)+30)=50x(t)이므로 x(t)=30h(t)50h(t)\displaystyle x(t)=\frac{30h(t)}{50-h(t)}이다.

가로등과 수직으로 던진 공 및 그림자의 위치
+10점 · 함수의 몫의 미분법을 이용하여 그림자의 진행방향과 속력을 구했는가?

그림자의 속도는 x(t)=30h(t)(50h(t))+30h(t)h(t)(50h(t))2=1500h(t)(50h(t))2\displaystyle x^{\prime}(t)=\frac{30h^{\prime}(t)(50-h(t))+30h(t)h^{\prime}(t)}{(50-h(t))^2}=\frac{1500h^{\prime}(t)}{(50-h(t))^2}이다.h(3)=15, h(3)=10\displaystyle h(3)=15,\ h^{\prime}(3)=-10이므로 x(3)=30×50×(10)352=60049\displaystyle x^{\prime}(3)=\frac{30\times50\times(-10)}{35^2}=-\frac{600}{49}이다.따라서 그림자는 가로등을 향해 60049m/s\displaystyle \frac{600}{49}\mathrm{m/s}의 속력을 가진다.

+10점 · 제시문과 삼각함수를 이용하여 그림자의 위치를 구했는가?

2.제시문에 의해 t\displaystyle t초 후 공의 위치는 (x(t),y(t))=(10t,103t5t2)\displaystyle (x(t),y(t))=(10t,10\sqrt3t-5t^2)이다.그림자의 위치를 z(t)\displaystyle z(t)라고 하면 z(t)=x(t)+p(t)\displaystyle z(t)=x(t)+p(t)인데, y(t)p(t)=tanπ6=13\displaystyle \frac{y(t)}{p(t)}=\tan\frac\pi6=\frac1{\sqrt3}이므로 z(t)=x(t)+3y(t)\displaystyle z(t)=x(t)+\sqrt3y(t)이다.

평행한 태양광에 따른 공과 그림자의 위치
+20점 · 그림자의 위치로부터 속도를 구하고 속력이 10m/s\displaystyle 10\mathrm{m/s}가 되는 시간을 구했는가?

그림자의 속도는 z(t)=x(t)+3y(t)=10+3(10310t)=40103t\displaystyle z^{\prime}(t)=x^{\prime}(t)+\sqrt3y^{\prime}(t)=10+\sqrt3(10\sqrt3-10t)=40-10\sqrt3t이다.그림자의 속력이 10이 되기 위해서는z(t)=40103t=10\displaystyle |z^{\prime}(t)|=|40-10\sqrt3t|=10이므로, 40103t=10\displaystyle 40-10\sqrt3t=10 또는 40103t=10\displaystyle 40-10\sqrt3t=-10,즉, t=3\displaystyle t=\sqrt3 또는 t=53\displaystyle t=\frac5{\sqrt3}일 때 그림자의 속력이 10이 된다.

+10점 · 공의 높이를 잘 구했는가?

이때, 높이를 구하면y(3)=103×35×3=3015=15,\displaystyle y(\sqrt3)=10\sqrt3\times\sqrt3-5\times3=30-15=15,y(53)=103×535×523=501253=253\displaystyle y\left(\frac5{\sqrt3}\right)=10\sqrt3\times\frac5{\sqrt3}-\frac{5\times5^2}3=50-\frac{125}3=\frac{25}3이다.

+10점 · 공의 속력이 2033m/s\displaystyle \frac{20\sqrt3}3\mathrm{m/s}가 되는 시간을 구했는가?

3.제시문에 의해 t\displaystyle t초 후 공의 위치는 (x(t),y(t))=(10t,103t5t2)\displaystyle (x(t),y(t))=(10t,10\sqrt3t-5t^2)이다.y(t)=5(t3)2+15<50\displaystyle y(t)=-5(t-\sqrt3)^2+15<50이므로 항상 그림자가 생긴다.x(t)=10, y(t)=10310t\displaystyle x^{\prime}(t)=10,\ y^{\prime}(t)=10\sqrt3-10t이므로, 공의 속력을 v(t)\displaystyle v(t)라 하면v(t)2=(dxdt)2+(dydt)2=102+(10310t)2=102(t223t+4)\displaystyle |v(t)|^2=\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2=10^2+(10\sqrt3-10t)^2=10^2(t^2-2\sqrt3t+4)이다.v(t)=2033\displaystyle v(t)=\frac{20\sqrt3}3이 되는 시간을 구하면102(t223t+4)=2023t223t+4=43t=3±33\displaystyle 10^2(t^2-2\sqrt3t+4)=\frac{20^2}3\quad\Rightarrow\quad t^2-2\sqrt3t+4=\frac43\quad\Rightarrow\quad t=\sqrt3\pm\frac{\sqrt3}3이다.t1=233, t2=433\displaystyle t_1=\frac{2\sqrt3}3,\ t_2=\frac{4\sqrt3}3이라 하자.

가로등 아래에서 비스듬히 던진 공과 그림자
+20점 · 그림자의 위치와 속력을 시간t\displaystyle t에 대한 함수로 구했는가?

그림자의 위치를 z(t)\displaystyle z(t)라고 하면 z(t)=x(t)+p(t)\displaystyle z(t)=x(t)+p(t)인데, 삼각형의 닮음에 의해 y(t)p(t)=50x(t)+p(t)\displaystyle \frac{y(t)}{p(t)}=\frac{50}{x(t)+p(t)}이다.y(t)(x(t)+p(t))=50p(t)\displaystyle y(t)(x(t)+p(t))=50p(t)이므로 p(t)=x(t)y(t)50y(t)\displaystyle p(t)=\frac{x(t)y(t)}{50-y(t)}이다. 따라서, z(t)=50x(t)50y(t)\displaystyle z(t)=\frac{50x(t)}{50-y(t)}이고,z(t)=50x(t)(50y(t))+50x(t)y(t)(50y(t))2=502x(t)50x(t)y(t)+50x(t)y(t)(50y(t))2\displaystyle \begin{aligned}z^{\prime}(t)&=\frac{50x^{\prime}(t)(50-y(t))+50x(t)y^{\prime}(t)}{(50-y(t))^2}\\&=\frac{50^2x^{\prime}(t)-50x^{\prime}(t)y(t)+50x(t)y^{\prime}(t)}{(50-y(t))^2}\end{aligned}이다.

+10점 · 공의 속력이 2033m/s\displaystyle \frac{20\sqrt3}3\mathrm{m/s}가 되는 시간에 그림자의 속력을 잘 구했는가?

x(t1)=2033, y(t1)=205×43=403, x(t1)=10, y(t1)=1032033=1033\displaystyle x(t_1)=\frac{20\sqrt3}3,\ y(t_1)=20-5\times\frac43=\frac{40}3,\ x^{\prime}(t_1)=10,\ y^{\prime}(t_1)=10\sqrt3-\frac{20\sqrt3}3=\frac{10\sqrt3}3이고x(t2)=4033, y(t2)=405×163=403, x(t2)=10, y(t2)=1034033=1033\displaystyle x(t_2)=\frac{40\sqrt3}3,\ y(t_2)=40-5\times\frac{16}3=\frac{40}3,\ x^{\prime}(t_2)=10,\ y^{\prime}(t_2)=10\sqrt3-\frac{40\sqrt3}3=\frac{-10\sqrt3}3이다.따라서z(t1)=502×1050×10×403+50×2033×1033(50403)2=3×13×50112=1950121m/s\displaystyle z^{\prime}(t_1)=\frac{50^2\times10-50\times10\times\frac{40}3+50\times\frac{20\sqrt3}3\times\frac{10\sqrt3}3}{(50-\frac{40}3)^2}=\frac{3\times13\times50}{11^2}=\frac{1950}{121}\mathrm{m/s}z(t2)=502×1050×10×403+50×4033×1033(50403)2=3×7×50112=1050121m/s\displaystyle z^{\prime}(t_2)=\frac{50^2\times10-50\times10\times\frac{40}3+50\times\frac{40\sqrt3}3\times\frac{-10\sqrt3}3}{(50-\frac{40}3)^2}=\frac{3\times7\times50}{11^2}=\frac{1050}{121}\mathrm{m/s}이다.

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