수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

그림과 같이 자율주행 자동차는 합류점 O\displaystyle O를 지나는 직선 AB\displaystyle A B를 따라 움직이고 일반 자동차는 포물선을 따라 점 A′\displaystyle A^{\prime}에서 점 O\displaystyle O로 움직인 후 직선 OB\displaystyle O B를 따라 움직인다. t=0\displaystyle t = 0초일 때 자율주행 자동차의 좌표는 (−200, 0)\displaystyle \left( - 200 , \ 0 \right)이고 일반 자동차의 좌표는 (−200, 100)\displaystyle \left( - 200 , \ 100 \right)이다. 차로의 폭 및 자동차의 길이와 폭은 무시하며 점 O\displaystyle O에서 (1, 0)\displaystyle \left( 1 , \ 0 \right)까지의 거리는 1m\displaystyle 1 m이다.

직선 도로의 자율주행 자동차와 포물선 도로의 일반 자동차가 합류점 O로 이동하는 그림.

(1) 일반 자동차 속도의 x\displaystyle x성분이 vx(t)=t\displaystyle v_{{x}} ( t ) = t라고 하자. 자율주행 자동차는 11m/s\displaystyle 11 m / s의 일정한 속력으로 움직인다면, 일반 자동차가 합류점에 진입하는 순간 두 자동차 사이의 거리를 구하시오.

(2) 일반 자동차의 움직임이 문항 (1)과 같다고 할 때 일반 자동차가 합류점을 지난 시점으로부터 두 자동차가 같은 위치에 있게 되기까지 걸리는 시간을 구하시오.

(3) 일반 자동차의 움직임이 문항 (1)과 같다고 할 때 자율주행 자동차는 두 자동차의 위치가 같아지는 것을 회피하기 위해, 일반 자동차가 합류점을 먼저 통과할 수 있도록 t=2\displaystyle t = 2초인 시점부터 일정한 가속도로 감속하려고 한다. 일반 자동차가 합류점에 진입하는 순간 두 자동차 사이의 거리가 10m\displaystyle 10 m 이상이 되도록 하는 자율주행 자동차의 가속도의 크기를 a\displaystyle a라고 하자. a\displaystyle a의 최솟값을 구하시오.

(4) 일반 자동차 속도의 x\displaystyle x성분이 vx(t)=3t\displaystyle v_{{x}} ( t ) = 3 \sqrt{t}라고 하자. 이 경우 문항 (3)과 같이 일반 자동차가 합류점을 먼저 통과할 수 있도록 자율주행 자동차가 t=2\displaystyle t = 2초인 시점부터 일정한 가속도로 감속하려고 한다. 일반 자동차가 합류점에 진입하는 순간 두 자동차 간의 거리가 10m\displaystyle 10 m 이상이 되도록 하는 자율주행 자동차의 가속도의 크기를 b\displaystyle b라고 할 때, b\displaystyle b의 최솟값이 문항 (3)의 a\displaystyle a의 최솟값보다 큰지 작은지 비교하시오.

해설강의 준비중
+4점 · 일반 자동차가 200m를 이동하는데 걸리는 시간을 구함 (2점) 자율주행 자동차가 20초 동안 이동한 거리 구함 (1점) 두 자동차 사이의 거리 구함 (1점) * 적분식 표현을 하지 않아도 감점하지 않음.

(1) 일반 자동차의 t\displaystyle t초 후 위치를 (x(t), y(t))\displaystyle ( x ( t ) , \ y ( t ) )라고 하면 x(t)\displaystyle x ( t )는 속도벡터의 x\displaystyle x성분 vx(t)\displaystyle v_{{x}} ( t )에 의해 결정된다. 초기위치 (−200, 100)\displaystyle ( - 200 , \ 100 )과 (0, 0)\displaystyle \left( 0 , \ 0 \right)의 x\displaystyle x성분의 차이는 200\displaystyle 200이다.

일반 자동차가 t1\displaystyle t_{{1}}초 동안 움직인 x\displaystyle x방향의 이동 거리는

s1(t1)=∫0t1vx(t)dt=∫0t1tdt=12t12\displaystyle s_{{1}} ( t_{{1}} ) = \int_{0}^{t_{{1}}} v_{{x}} ( t ) d t = \int_{0}^{t_{{1}}} t d t = \frac{1}{2} t_{1}^{2}

이므로 200m\displaystyle 200 m를 이동하는데 걸리는 시간은 12t12=200\displaystyle \frac{1}{2} t_{1}^{2} = 200으로부터 t1=20\displaystyle t_{{1}} = 20초이다.

반면, 일정한 속도로 운동하는 자율주행 자동차가 t1=20\displaystyle t_{{1}} = 20초 동안 이동한 x\displaystyle x방향 거리는

s2(t1)=∫0t1vxdt=∫0t111dt=11t1=220m\displaystyle s_{{2}} ( t_{{1}} ) = \int_{0}^{t_{{1}}} v_{{x}} d t = \int_{0}^{t_{{1}}} 11 d t = 11 t_{{1}} = 220 m

이다.

따라서 두 자동차 사이의 거리는 s2(t1)−s1(t1)=220−200=20m\displaystyle s_{{2}} ( t_{{1}} ) - s_{{1}} ( t_{{1}} ) = 220 - 200 = 20 m이다.

+4점 · 두 자동차의 위치가 같음을 수식으로 맞게 표현함 (2점) 두 자동차 위치가 같을 때의 시간을 구함 (1점) 합류점 지난 시점으로부터의 시간을 구함 (1점)

(2) 일반 자동차는 t1=20\displaystyle t_{{1}} = 20초일 때 합류점 O\displaystyle O를 지난다. t2\displaystyle t_{{2}}초에 두 자동차가 같은 위치에 있다면 s1(t2)=s2(t2)\displaystyle s_{{1}} ( t_{{2}} ) = s_{{2}} ( t_{{2}} )이다. 12t22=11t2\displaystyle \frac{1}{2} t_{2}^{2} = 11 t_{{2}}로부터 t2=22\displaystyle t_{{2}} = 22임을 알 수 있다. 일반 자동차가 합류점 O\displaystyle O점을 지난 시점으로부터 두 자동차가 만날 때 까지 걸리는 시간은 2\displaystyle 2초이다.

+6점 · 자율주행 자동차의 위치를 수식 또는 적분식으로 맞게 표현함 (3점) 적분계산, 안전거리 10m 적용하여 가속도 크기의 최솟값을 구함 (3점)

(3) 자율주행 자동차가 2\displaystyle 2초 뒤에 일정한 크기 a\displaystyle a인 가속도로 감속하면 t≥2\displaystyle t \ge 2일 때 자율주행 자동차의 속도는 v(t)=11−a(t−2)\displaystyle v ( t ) = 11 - a ( t - 2 )이다. 따라서 자율주행 자동차가 0\displaystyle 0초부터 20\displaystyle 20초까지 이동한 x\displaystyle x방향의 총 거리는 s=∫0211dt+∫220{11−a(t−2)}dt=220−162a\displaystyle s = \int_{0}^{2} 11 d t + \int_{2}^{20} \left\{ 11 - a ( t - 2 ) \right\} d t = 220 - 162 a이다.

두 자동차 사이의 거리가 10m\displaystyle 10 m 이상이 되도록 하려면 자율주행 자동차의 총 이동거리는 190m\displaystyle 190 m 보다 작거나 같아야 한다. 즉, 220−162a≤190\displaystyle 220 - 162 a \le 190을 만족하여야 하므로 a≥527\displaystyle a \ge \frac{5}{27}이다. 문제에 제시된 일반자동차가 합류점을 먼저 통과한다는 조건을 확인해보자. 가속도의 크기가 527\displaystyle \frac{5}{27}일 때, 20\displaystyle 20초 후 자율주행 자동차의 속도는 v(20)=11−527(20−2)=233>0\displaystyle v ( 20 ) = 11 - \frac{5}{27} ( 20 - 2 ) = \frac{23}{3} > 0이므로, 자율주행 자동차는 233m/s\displaystyle \frac{23}{3} m / s까지 감속한 상태로 합류점 O\displaystyle O방향으로 이동하는 중이다. 이 순간 일반자동차가 합류점을 먼저 통과하므로 해당 가속도는 문제에서 제시된 조건을 만족한다. 따라서 a\displaystyle a의 최솟값은 527\displaystyle \frac{5}{27}이다.

+6점 · vx(t)=t\displaystyle v_x(t)=t일 때와 vx(t)=3t\displaystyle v_x(t)=3\sqrt t일 때 같은 시간동안 간 거리, 또는 같은 거리를 가는 데 걸린 시간을 비교하는 시도 (2점) 위 상황을 수식으로 맞게 표현하고, 계산 및 답 제시 (4점)

(4) 일반 자동차의 x\displaystyle x방향의 속도가 vx(t)=3t\displaystyle v_{{x}} ( t ) = 3 \sqrt{t}일 때, ∫0t13tdt=200\displaystyle \int_{0}^{t_{{1}}} 3 \sqrt{t} d t = 200이라 두면 일반자동차는 t1=1002/3=10⋅101/3\displaystyle t_{{1}} = 100^{{2 / 3}} = 10 \cdot 10^{{1 / 3}} 초에 합류점 O\displaystyle O를 지남을 알 수 있다. 이때 2<101/3<3\displaystyle 2 < 10^{{1 / 3}} < 3이므로 20<t1<30\displaystyle 20 < t_{{1}} < 30이 성립한다. 먼저 일반 자동차가 30\displaystyle 30초 후에 합류점을 지난다고 가정하고 자율주행 자동차가 문제에서 제시된 조건을 만족하도록 하는 가속도의 크기를 c\displaystyle c라 하자. 문항(3)과 동일한 방법으로 330−392c≤190\displaystyle 330 - 392 c \le 190으로부터 c≥514\displaystyle c \ge \frac{5}{14}를 얻는다. 가속도의 크기가 최솟값 c0=514\displaystyle c_{{0}} = \frac{5}{14}일 때 자율주행 자동차의 30\displaystyle 30초 후의 속도는 v(30)=1>0\displaystyle v ( 30 ) = 1 > 0이므로, 자율주행 자동차는 합류점 O\displaystyle O방향으로 이동하는 중이다. 이 순간 일반자동차가 합류점을 먼저 통과하므로 해당 가속도는 문제에서 제시된 조건을 만족한다.

문항(3)에서 구한 a\displaystyle a의 최솟값을 a0\displaystyle a_{{0}}라 하고, 문항(4)에서의 가속도의 크기 b\displaystyle b의 최솟값을 b0\displaystyle b_{{0}}라 하면 ∫2t1{11−b0(t−2)}dt=190−22=168\displaystyle \int_{2}^{t_{{1}}} \left\{ 11 - b_{{0}} ( t - 2 ) \right\} d t = 190 - 22 = 168이다. 아래의 그림에서 20<t1<30\displaystyle 20 < t_{{1}} < 30이며, 기울기가 각각 −a0\displaystyle -a_0, −b0\displaystyle - b_{{0}}, −c0\displaystyle - c_{{0}}인 세 선분 아래 사다리꼴의 넓이가 모두 190−22=168\displaystyle 190 - 22 = 168이므로 a0<b0<c0\displaystyle a_{{0}} < b_{{0}} < c_{{0}}가 성립한다. 또한 아래 그림에서 기울기가 −b0\displaystyle - b_{{0}}인 직선의 t1\displaystyle t_{{1}}에서의 높이가 가속도의 크기가 b0\displaystyle b_{{0}}일 때 자율자동차의 t1\displaystyle t_{{1}}초 후의 속도이다. v(t1)>0\displaystyle v ( t_{{1}} ) > 0이므로 해당 가속도는 문제에서 제시된 조건을 만족한다. 따라서 a\displaystyle a의 최솟값보다 b\displaystyle b의 최솟값이 더 크다.

가속도 크기 a0, b0, c0에 대응하는 속도 그래프와 같은 넓이의 사다리꼴.

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