수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

문제 2 (20점)

홍익이는 낙하산을 이용하여 우주발사체의 추진체를 재활용하는 기술을 접하였고, 머리와 추진체로 분리되는 물 로켓을 만들고 추진체를 재활용하고자 추진체에 낙하산을 설치하였다. 그리고 t=0\displaystyle t=0초에서 물 로켓을 지면으로부터 수직 방향으로 발사하였다. 시각 t\displaystyle t에서의 지면으로부터 물 로켓 추진체 밑면의 높이를 y1(t)\displaystyle y_{1}(t) m, 물 로켓 머리의 높이를 y2(t)\displaystyle y_{2}(t) m라 하자. <그림 1>과 같이 발사 후 t=6\displaystyle t=6까지 물 로켓은 머리와 추진체가 같이 움직이고, t=6\displaystyle t=6에서 물 분사를 멈추고 머리와 추진체로 분리된다. <그림 2>와 같이 추진체는 t=9\displaystyle t=9에서 최고 높이에 도달하고 낙하산이 펴진다. 낙하산에 의하여 t=12\displaystyle t=12까지 추진체의 속도가 시간에 따라 변한다. 그 후 착륙할 때까지의 속도는 일정하다. t=t2\displaystyle t=t_{2}에서 추진체는 지면에 착륙한다. <그림 3>과 같이 물 로켓 머리의 속도는 t=6\displaystyle t=6 이후 일정하다가 t=t1\displaystyle t=t_{1}에서 예상치 못한 돌풍이 발생하여 시간에 따라 변한다. 이를 정리하면, 시각 t\displaystyle t에서의 물 로켓 추진체의 속도 v1(t)\displaystyle v_{1}(t) m/s와 물 로켓 머리의 속도 v2(t)\displaystyle v_{2}(t) m/s는 다음과 같다. (단, y1(0)=0\displaystyle y_{1}(0)=0, y2(0)=10\displaystyle y_{2}(0)=10 이다.)

v1(t)={20t−52t2(0≤t<6)90−10t(6≤t<9)−10+1027(12−t)3(9≤t<12)−10(12≤t≤t2)\displaystyle v_{1}(t)=\begin{cases}20t-\frac{5}{2}t^{2} & (0\le t<6) \\ 90-10t & (6\le t<9) \\ -10+\frac{10}{27}(12-t)^{3} & (9\le t<12) \\ -10 & (12\le t\le t_{2})\end{cases}

v2(t)={20t−52t2(0≤t<6)30(6≤t<t1)30t2−t1(t2−t)(t1≤t≤t2)\displaystyle v_{2}(t)=\begin{cases}20t-\frac{5}{2}t^{2} & (0\le t<6) \\ 30 & (6\le t<t_{1}) \\ \frac{30}{t_{2}-t_{1}}(t_{2}-t) & (t_{1}\le t\le t_{2})\end{cases}

<그림 1>은 t=0에서 지면 위 10 m 높이의 물 로켓이 t=6까지 머리와 추진체가 함께 올라가는 모습, <그림 2>는 t=9에서 낙하산이 펴진 추진체가 t=t₂에 착륙하는 모습, <그림 3>은 물 로켓 머리가 t=t₁에서 돌풍을 만나 t=t₂에 높이 910 m에 이르는 모습.

(1) t=6\displaystyle t=6에서 물 로켓이 머리와 추진체로 분리될 때, 머리의 높이 y2(6)\displaystyle y_{2}(6)의 값을 구하시오.

(2) t=12\displaystyle t=12에서 추진체 밑면의 높이 y1(12)\displaystyle y_{1}(12)의 값을 구하시오.

(3) 추진체가 착륙한 시각 t=t2\displaystyle t=t_{2}에서 머리의 높이가 y2(t2)=910\displaystyle y_{2}(t_{2})=910 m일 때, 돌풍이 발생한 시각 t1\displaystyle t_{1}을 구하시오.

해설강의 준비중
4점 만점 · 정적분을 활용하여 y2(6)\displaystyle y_{2}(6)의 식을 구하고 값을 계산함

(1) dy2dt=v2\displaystyle \frac{dy_{2}}{dt}=v_{2} 이므로 y2(6)\displaystyle y_{2}(6)는 다음과 같이 v2(t)\displaystyle v_{2}(t)를 적분하여 구할 수 있다.y2(6)=y2(0)+∫06v2(t)dt=10+∫06(20t−52t2)dt\displaystyle y_{2}(6)=y_{2}(0)+\int_{0}^{6}v_{2}(t)dt=10+\int_{0}^{6}\left(20t-\frac{5}{2}t^{2}\right)dt=10+[10t2−56t3]06=10+360−180=190 m\displaystyle =10+\Biggl[10t^{2}-\frac{5}{6}t^{3}\Biggr]_{0}^{6}=10+360-180=190\ \mathrm{m}

4점 만점 · 정적분을 활용하여 y1(12)\displaystyle y_{1}(12)의 식을 구하고 값을 계산함

(2) 마찬가지로 dy1dt=v1\displaystyle \frac{dy_{1}}{dt}=v_{1} 이므로 y1(12)\displaystyle y_{1}(12)는 다음과 같이 v1(t)\displaystyle v_{1}(t)를 적분하여 구할 수 있다.y1(12)=y1(0)+∫012v1(t) dt=∫06(20t−52t2)dt+∫69(90−10t)dt+∫912{−10+1027(12−t)3}dt=[10t2−56t3]06+[90t−5t2]69+[−10t−554(12−t)4]912=(360−180)+{(810−405)−(540−180)}+{(−120−0)−(−90−152)}=4052 m\displaystyle \begin{aligned} y_{1}(12) &=y_{1}(0)+\int_{0}^{12}v_{1}(t)\,dt=\int_{0}^{6}\left(20t-\frac{5}{2}t^{2}\right)dt+\int_{6}^{9}(90-10t)dt+\int_{9}^{12}\left\{-10+\frac{10}{27}(12-t)^{3}\right\}dt \\ &=\Biggl[10t^{2}-\frac{5}{6}t^{3}\Biggr]_{0}^{6}+\Biggl[90t-5t^{2}\Biggr]_{6}^{9}+\Biggl[-10t-\frac{5}{54}(12-t)^{4}\Biggr]_{9}^{12} \\ &=(360-180)+\{(810-405)-(540-180)\}+\left\{(-120-0)-\left(-90-\frac{15}{2}\right)\right\}=\frac{405}{2}\ \mathrm{m} \end{aligned}

12점 만점 · 정적분을 활용하여 y1(t2)\displaystyle y_{1}(t_{2})를 구하고, y1(t2)=0\displaystyle y_{1}(t_{2})=0으로부터 t2\displaystyle t_{2}를 구함 (6점) 정적분을 활용하여 y2(t2)\displaystyle y_{2}(t_{2})를 구하고, y2(t2)=910\displaystyle y_{2}(t_{2})=910으로부터 t1\displaystyle t_{1}를 구함 (6점)

(3) 12≤t≤t2\displaystyle 12\le t\le t_{2}에서 v1(t)=−10\displaystyle v_{1}(t)=-10 이고 문항 (2)에서 y1(12)=4052\displaystyle y_{1}(12)=\frac{405}{2}이므로 y1(t2)=0\displaystyle y_{1}(t_{2})=0인 시간 t2\displaystyle t_{2}는0=y1(t2)=y1(12)+∫12t2v1(t) dt=4052−10(t2−12)\displaystyle 0=y_{1}(t_{2})=y_{1}(12)+\int_{12}^{t_{2}}v_{1}(t)\,dt=\frac{405}{2}-10(t_{2}-12) 로부터 t2=12+40520=1294\displaystyle t_{2}=12+\frac{405}{20}=\frac{129}{4} 이다.문항 (1)에서 y2(6)=190\displaystyle y_{2}(6)=190 이고 주어진 조건에 의해 y2(t2)=910\displaystyle y_{2}(t_{2})=910 이므로910=y2(t2)=y2(6)+∫6t2v2(t) dt=y2(6)+∫6t1v2(t) dt+∫t1t2v2(t) dt=190+∫6t130 dt+∫t1t230t2−t1(t2−t) dt=190+30(t1−6)+[−15t2−t1(t2−t)2]t1t2=190+30(t1−6)+15t2−t1(t2−t1)2=10+15t1+15t2\displaystyle \begin{aligned} 910=y_{2}(t_{2}) &=y_{2}(6)+\int_{6}^{t_{2}}v_{2}(t)\,dt=y_{2}(6)+\int_{6}^{t_{1}}v_{2}(t)\,dt+\int_{t_{1}}^{t_{2}}v_{2}(t)\,dt \\ &=190+\int_{6}^{t_{1}}30\,dt+\int_{t_{1}}^{t_{2}}\frac{30}{t_{2}-t_{1}}(t_{2}-t)\,dt \\ &=190+30(t_{1}-6)+\Biggl[-\frac{15}{t_{2}-t_{1}}(t_{2}-t)^{2}\Biggr]_{t_{1}}^{t_{2}}=190+30(t_{1}-6)+\frac{15}{t_{2}-t_{1}}(t_{2}-t_{1})^{2} \\ &=10+15t_{1}+15t_{2} \end{aligned}로부터 t1=90015−t2=60−1294=1114\displaystyle t_{1}=\frac{900}{15}-t_{2}=60-\frac{129}{4}=\frac{111}{4} 이다.

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