수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

문제 1 (20점)

홍익대학교에는 문헌관, 공학관, 와우관, 홍문관이라 부르는 네 건물이 있다. 학생들의 편의를 위해 <그림 1>과 같이 캠퍼스를 원형으로 순환하는 트램을 설치하고자 한다. 트램 노선에서 건물까지의 거리를 고려하여 트램 노선의 반지름 r\displaystyle r를 정하고자 한다. (단, 트램 노선의 너비와 건물의 크기는 무시한다.)

(가) 원점 O\displaystyle \mathrm{O}에 대한 네 건물의 위치벡터는 각각 다음과 같다.x1→=(4,4),x2→=(5,0),x3→=(2,3),x4→=(1,1)\displaystyle \overrightarrow{x_{1}}=(4,4),\quad\overrightarrow{x_{2}}=(5,0),\quad\overrightarrow{x_{3}}=(2,3),\quad\overrightarrow{x_{4}}=(1,1)

(나) 트램의 노선은 반지름이 r\displaystyle r인 원 모양이며, 원점 O\displaystyle \mathrm{O}에 대한 그 원의 중심의 위치벡터 c⃗\displaystyle \vec{c}는 다음과 같다.c⃗=14(x1→+x2→+x3→+x4→)\displaystyle \vec{c}=\frac{1}{4}\left(\overrightarrow{x_{1}}+\overrightarrow{x_{2}}+\overrightarrow{x_{3}}+\overrightarrow{x_{4}}\right)

(다) 각 건물의 위치로부터 트램 노선까지의 최단 거리를 각각 d1,d2,d3,d4\displaystyle d_{1},d_{2},d_{3},d_{4}라고 하자.

(라) 각 건물의 위치로부터 트램 노선까지의 최단 거리의 제곱의 합 S4\displaystyle S_{4}를 d12+d22+d32+d42\displaystyle d_{1}^{2}+d_{2}^{2}+d_{3}^{2}+d_{4}^{2}으로 정의하자.

(마) 각 건물의 위치로부터 트램 노선까지의 최단 거리 중 최대 거리 M4\displaystyle M_{4}를 d1,d2,d3,d4\displaystyle d_{1},d_{2},d_{3},d_{4} 중 최댓값으로 정의하자.

반지름 r인 원 모양의 트램 노선과, 그 둘레 안팎에 놓인 네 건물. 문헌관 x₁=(4,4), 공학관 x₂=(5,0), 와우관 x₃=(2,3), 홍문관 x₄=(1,1)이고 각 건물에서 노선까지의 최단 거리가 d₁~d₄로 표시되어 있다.

(1) 제시문의 (라)에서 정의된 S4\displaystyle S_{4}가 최솟값을 가질 때 반지름 r\displaystyle r를 구하시오.

(2) 제시문의 (마)에서 정의된 M4\displaystyle M_{4}가 최솟값을 가질 때 반지름 r\displaystyle r를 구하시오.

(3) 건물이 n\displaystyle n개가 있다고 가정하고 제시문과 같이 원 모양의 트램 노선을 설치하려고 한다. 각 건물의 위치벡터 x1→,x2→,x3→,…,xn→\displaystyle \overrightarrow{x_{1}},\overrightarrow{x_{2}},\overrightarrow{x_{3}},\ldots,\overrightarrow{x_{n}} 과 트램 노선의 중심의 위치벡터 c⃗=1n∑i=1nxi→\displaystyle \vec{c}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}\overrightarrow{x_{i}}가 주어졌을 때, 각 건물의 위치로부터 트램 노선까지의 최단 거리의 제곱의 합 Sn=∑i=1ndi2\displaystyle S_{n}=\sum_{i=1}^{n}d_{i}^{2}이 최솟값을 가질 때 반지름 r\displaystyle r를 x1→,x2→,x3→,…,xn→\displaystyle \overrightarrow{x_{1}},\overrightarrow{x_{2}},\overrightarrow{x_{3}},\ldots,\overrightarrow{x_{n}} 과 c⃗\displaystyle \vec{c}에 대한 식으로 나타내시오.

6점 만점 · 각 건물의 위치로부터 트램 노선까지의 최단 거리를 구함 (2점) 최단 거리의 제곱의 합을 r\displaystyle r에 대한 이차함수로 구함 (2점) 해당 이차함수가 최솟값을 갖는 r\displaystyle r을 구함 (2점)

(1) 트램 노선의 중심의 위치벡터는 c⃗=14(x1→+x2→+x3→+x4→)=(3,2)\displaystyle \vec{c}=\frac{1}{4}\left(\overrightarrow{x_{1}}+\overrightarrow{x_{2}}+\overrightarrow{x_{3}}+\overrightarrow{x_{4}}\right)=(3,2) 이다.노선의 중심으로부터 각 건물까지의 거리는 각각 ∣x1→−c⃗∣=∣(1,2)∣=5\displaystyle \left|\overrightarrow{x_{1}}-\vec{c}\right|=|(1,2)|=\sqrt{5}, ∣x2→−c⃗∣=∣(2,−2)∣=22\displaystyle \left|\overrightarrow{x_{2}}-\vec{c}\right|=|(2,-2)|=2\sqrt{2}, ∣x3→−c⃗∣=∣(−1,1)∣=2\displaystyle \left|\overrightarrow{x_{3}}-\vec{c}\right|=|(-1,1)|=\sqrt{2}, ∣x4→−c⃗∣=∣(−2,−1)∣=5\displaystyle \left|\overrightarrow{x_{4}}-\vec{c}\right|=|(-2,-1)|=\sqrt{5} 이다.따라서 각 건물로부터 트램 노선까지의 최단 거리는 각각 d1=∣5−r∣\displaystyle d_{1}=\left|\sqrt{5}-r\right|, d2=∣22−r∣\displaystyle d_{2}=\left|2\sqrt{2}-r\right|, d3=∣2−r∣\displaystyle d_{3}=\left|\sqrt{2}-r\right|, d4=∣5−r∣\displaystyle d_{4}=\left|\sqrt{5}-r\right| 이다. 최단 거리의 제곱의 합 S4=(d12+d22+d32+d42)\displaystyle S_{4}=\left(d_{1}^{2}+d_{2}^{2}+d_{3}^{2}+d_{4}^{2}\right)는S4=(5−r)2+(22−r)2+(2−r)2+(5−r)2=4r2−(62+45)r+20\displaystyle \begin{aligned} S_{4} &=(\sqrt{5}-r)^{2}+(2\sqrt{2}-r)^{2}+(\sqrt{2}-r)^{2}+(\sqrt{5}-r)^{2} \\ &=4r^{2}-(6\sqrt{2}+4\sqrt{5})r+20 \end{aligned}이다.

S4\displaystyle S_{4}는 r\displaystyle r에 대한 이차함수이다. 그래프가 아래로 볼록인 포물선이므로 ddrS4=0\displaystyle \frac{d}{dr}S_{4}=0 인 r=32+254\displaystyle r=\frac{3\sqrt{2}+2\sqrt{5}}{4} 에서 최소이다.(또는, S4=4(r−32+254)2+21−6102\displaystyle S_{4}=4\left(r-\frac{3\sqrt{2}+2\sqrt{5}}{4}\right)^{2}+\frac{21-6\sqrt{10}}{2}와 같이 정리하여 최소가 되는 r\displaystyle r을 구한다.)

6점 만점 · d1,d2,d3,d4\displaystyle d_{1},d_{2},d_{3},d_{4} 중 최대 거리가 될 수 있는 것은 d2\displaystyle d_{2}와 d3\displaystyle d_{3}임을 확인함 (3점) r\displaystyle r의 범위에 따라 M4\displaystyle M_{4}를 구하고 문제에서 요구하는 r\displaystyle r를 구함 (3점)

(2) 트램 노선의 중심으로부터 가장 가까운 건물과 먼 건물은 각각 와우관, 공학관이며, 중심으로부터의 거리는 각각 2\displaystyle \sqrt{2}, 22\displaystyle 2\sqrt{2} 이다. 이 두 거리의 평균인 r=322\displaystyle r=\frac{3}{2}\sqrt{2} 을 기준으로 r≤322\displaystyle r\le\frac{3}{2}\sqrt{2}인 경우, (1)에서 구한 트램 노선으로부터 각 건물까지의 거리 d1,d2,d3\displaystyle d_{1},d_{2},d_{3} 중 d2=∣22−r∣\displaystyle d_{2}=\left|2\sqrt{2}-r\right|가 최대이다. 즉, 이 경우 M4=d2=∣22−r∣=22−r\displaystyle M_{4}=d_{2}=\left|2\sqrt{2}-r\right|=2\sqrt{2}-r이다. r≥322\displaystyle r\ge\frac{3}{2}\sqrt{2}인 경우, d3=∣2−r∣\displaystyle d_{3}=\left|\sqrt{2}-r\right|가 최대가 된다.즉, 이 경우 M4=d3=∣2−r∣=r−2\displaystyle M_{4}=d_{3}=\left|\sqrt{2}-r\right|=r-\sqrt{2}이다.그래프를 그려보면 r=322\displaystyle r=\frac{3}{2}\sqrt{2} 는 에서 최솟값을 가진다.Correction. ‘는 에서’는 ‘에서’의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

8점 만점 · x1→,x2→,x3→,…,xn→\displaystyle \overrightarrow{x_{1}},\overrightarrow{x_{2}},\overrightarrow{x_{3}},\ldots,\overrightarrow{x_{n}} 와 c⃗\displaystyle \vec{c} 를 이용하여, 각 건물의 위치로부터 트램 노선까지의 최단 거리를 구함 (2점) 최단 거리의 제곱의 합을 r\displaystyle r에 대한 이차함수로 구함 (3점) 해당 이차함수가 최솟값을 갖는 r\displaystyle r을 구함 (3점)

(3) (1)에서와 같이 생각한다.각 건물의 위치 x1→,x2→,x3→,…,xn→\displaystyle \overrightarrow{x_{1}},\overrightarrow{x_{2}},\overrightarrow{x_{3}},\ldots,\overrightarrow{x_{n}} 로부터 트램노선의 중심 c⃗\displaystyle \vec{c} 까지의 거리는 ∣xi→−c⃗∣\displaystyle \left|\overrightarrow{x_{i}}-\vec{c}\right|이고,각 건물에서 노선까지의 최단 거리는 di=∣∣xi→−c⃗∣−r∣\displaystyle d_{i}=\left|\left|\overrightarrow{x_{i}}-\vec{c}\right|-r\right|이다. (i=1,2,⋯ ,n)\displaystyle (i=1,2,\cdots,n)최단 거리의 제곱의 합은Sn=∑i=1ndi2=∑i=1n(∣xi→−c⃗∣−r)2=nr2−2r∑i=1n∣xi→−c⃗∣+∑i=1n∣xi→−c⃗∣2\displaystyle S_{n}=\sum_{i=1}^{n}d_{i}^{2}=\sum_{i=1}^{n}\left(\left|\overrightarrow{x_{i}}-\vec{c}\right|-r\right)^{2}=nr^{2}-2r\sum_{i=1}^{n}\left|\overrightarrow{x_{i}}-\vec{c}\right|+\sum_{i=1}^{n}\left|\overrightarrow{x_{i}}-\vec{c}\right|^{2}이다.

Sn\displaystyle S_{n}는 r\displaystyle r에 대한 이차함수이다. 그래프가 아래로 볼록인 포물선이므로 ddrSn=0\displaystyle \frac{d}{dr}S_{n}=0인 r=1n∑i=1n∣xi→−c⃗∣\displaystyle r=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}\left|\overrightarrow{x_{i}}-\vec{c}\right| 에서 최소이다.(또는, Sn=n(r−1n∑i=1n∣xi→−c⃗∣)2+∑i=1n∣xi→−c⃗∣2−1n(∑i=1n∣xi→−c⃗∣)2\displaystyle S_{n}=n\left(r-\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}\left|\overrightarrow{x_{i}}-\vec{c}\right|\right)^{2}+\sum_{i=1}^{n}\left|\overrightarrow{x_{i}}-\vec{c}\right|^{2}-\frac{1}{n}\left(\sum_{i=1}^{n}\left|\overrightarrow{x_{i}}-\vec{c}\right|\right)^{2}와 같이 정리하여 최소가 되는 r\displaystyle r을 구한다.)

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