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자연계열 1번

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문제

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4점 만점 · 음함수의 미분법을 활용할 수 있음 (2점) 미분값 dydx=x9y\displaystyle \frac{dy}{dx}=-\frac{x}{9y}를 정확히 계산하여 나타낼 수 있음 (2점)

(1) 음함수의 미분법을 이용하여 구할 수 있다.ddx(x29)+ddx(y2)=ddx(1)\displaystyle \frac{d}{dx}\left(\frac{x^{2}}{9}\right)+\frac{d}{dx}(y^{2})=\frac{d}{dx}(1)29x+2ydydx=0\displaystyle \Rightarrow\frac{2}{9}x+2y\frac{dy}{dx}=0dydx=x9y(,y0)\displaystyle \Rightarrow\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{9y}\qquad(\text{단},\,y\ne0)

4점 만점 · c\displaystyle cx1\displaystyle x_{1}y1\displaystyle y_{1}을 활용한 간소화된 식으로 표현할 수 있음 (c=x19y1)\displaystyle \left(c=-\frac{x_{1}}{9y_{1}}\right) (1점) d\displaystyle dy1\displaystyle y_{1}을 활용한 간소화된 식으로 표현할 수 있음 (d=1y1)\displaystyle \left(d=\frac{1}{y_{1}}\right) (2점) 접선의 x\displaystyle x절편을 x1\displaystyle x_{1}을 이용한 간소화된 식으로 표현할 수 있음 (x\displaystyle x절편 : 9x1\displaystyle \frac{9}{x_{1}}) (1점)

(2) (x1,y1)\displaystyle (x_{1},y_{1})위에서의 기울기는 c=x19y1\displaystyle c=-\frac{x_{1}}{9y_{1}}이 된다. 이를 접선의 방정식 y=c(xx1)+y1\displaystyle y=c(x-x_{1})+y_{1}에 대입하면,y=x19y1(xx1)+y1=x19y1x+(x129y1+y1) ①\displaystyle y=-\frac{x_{1}}{9y_{1}}(x-x_{1})+y_{1}=-\frac{x_{1}}{9y_{1}}x+\left(\frac{x_{1}^{2}}{9y_{1}}+y_{1}\right)\qquad\cdots\cdots\ ①한편, (x1,y1)\displaystyle (x_{1},y_{1})은 타원 위에 있는 점이므로, x129+y12=1\displaystyle \frac{x_{1}^{2}}{9}+y_{1}^{2}=1을 만족한다. 이를 이용하면x129y1+y1=1y1\displaystyle \frac{x_{1}^{2}}{9y_{1}}+y_{1}=\frac{1}{y_{1}}을 얻을 수 있다. 이를 위 접선의 방정식 ①에 대입하면,y=x19y1x+1y1\displaystyle y=-\frac{x_{1}}{9y_{1}}x+\frac{1}{y_{1}}이 되어, c=x19y1,d=1y1\displaystyle c=-\frac{x_{1}}{9y_{1}},d=\frac{1}{y_{1}}이다. 이를 이용하면 접선의 x\displaystyle x절편은 9x1\displaystyle \frac{9}{x_{1}}가 된다.

8점 만점 · (2)에서 구한 접선의 방정식을 활용해 자투리 공간의 넓이를 x1\displaystyle x_{1}y1\displaystyle y_{1}에 대한 간소화된 식으로 정확히 표현할 수 있음 (넓이 : 18x1y13π\displaystyle \frac{18}{x_{1}y_{1}}-3\pi) (2점) 제시문 (다)의 부등식을 활용하여 자투리 공간의 넓이의 최솟값을 구할 수 있음 (123π)\displaystyle (12-3\pi) (3점) 자투리 공간의 넓이가 최솟값을 가질 때 x1,y1\displaystyle x_{1},y_{1}의 값을 정확히 구할 수 있음 (x1,y1)=(322,22)\displaystyle (x_{1},y_{1})=(\frac{3\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}) (3점)

(3) 해당 둘레길이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 각각 F(a,0)\displaystyle \mathrm{F}(a,0)F(a,0)\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}(-a,0)라 하고, y\displaystyle y축과 만나는 점을 각각 G(0,b)\displaystyle \mathrm{G}(0,b)G(0,b)\displaystyle \mathrm{G}^{\prime}(0,-b)라 하자 (단, a>0,b>0\displaystyle a>0,b>0이다.). a\displaystyle ab\displaystyle b는 각각 (2)에서 구한 접선의 x\displaystyle x절편과 y\displaystyle y절편이므로 a=9x1,b=1y1\displaystyle a=\frac{9}{x_{1}},b=\frac{1}{y_{1}}임을 알 수 있다. 둘레길은 마름모 모양이며 내부의 넓이는 2ab=18x1y1\displaystyle 2ab=\frac{18}{x_{1}y_{1}}이다. 꽃밭의 넓이는 3π\displaystyle 3\pi이므로, 자투리 공간의 넓이는18x1y13π\displaystyle \frac{18}{x_{1}y_{1}}-3\pi가 된다.

한편, (x1,y1)\displaystyle (x_{1},y_{1})은 제시된 타원 방정식 위의 점이므로 다음을 만족한다.1=x129+y12\displaystyle 1=\frac{x_{1}^{2}}{9}+y_{1}^{2}제시문 (다)를 이용하여 아래의 부등식이 성립함을 알 수 있다.1=x129+y122(x129)y12=2x1y13\displaystyle 1=\frac{x_{1}^{2}}{9}+y_{1}^{2}\ge2\sqrt{\left(\frac{x_{1}^{2}}{9}\right)y_{1}^{2}}=\frac{2x_{1}y_{1}}{3}1x1y123 ②\displaystyle \Rightarrow\frac{1}{x_{1}y_{1}}\ge\frac{2}{3}\qquad\cdots\cdots\ ②18x1y13π123π\displaystyle \Rightarrow\frac{18}{x_{1}y_{1}}-3\pi\ge12-3\pi

등호는 x129=y12=12\displaystyle \frac{x_{1}^{2}}{9}=y_{1}^{2}=\frac{1}{2}일 때 성립한다. 즉, 자투리 공간의 총 넓이의 최솟값은 123π\displaystyle 12-3\pi이고, 이때 (x1,y1)=(322,22)\displaystyle (x_{1},y_{1})=\left(\frac{3\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right) 이다.

4점 만점 · (x1,y1)=(322,22)\displaystyle (x_{1},y_{1})=(\frac{3\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2})의 값을 가질 때, 울타리의 장축, 단축 길이를 정확히 계산할 수 있음 (장축 45\displaystyle 4\sqrt{5}, 단축 22\displaystyle 2\sqrt{2}) (2점) 울타리를 나타내는 타원의 방정식을 정확히 구할 수 있음 (2점)

(4) 문항 (3)으로부터, 둘레길을 나타내는 마름모의 네 꼭짓점 좌표는 각각 F(9x1,0),F(9x1,0),G(0,1y1),G(0,1y1)\displaystyle \mathrm{F}\left(\frac{9}{x_{1}},0\right),\mathrm{F}^{\prime}\left(-\frac{9}{x_{1}},0\right),\mathrm{G}\left(0,\frac{1}{y_{1}}\right),\mathrm{G}^{\prime}\left(0,-\frac{1}{y_{1}}\right)이다. 피타고라스 정리를 활용하여 마름모의 한 변의 길이를 구하면 (9x1)2+(1y1)2\displaystyle \sqrt{\left(\frac{9}{x_{1}}\right)^{2}+\left(\frac{1}{y_{1}}\right)^{2}}가 되므로, 울타리의 장축의 길이는 2(9x1)2+(1y1)2\displaystyle 2\sqrt{\left(\frac{9}{x_{1}}\right)^{2}+\left(\frac{1}{y_{1}}\right)^{2}} 이다. 여기에 문항 (3)에서 구한 (x1,y1)=(322,22)\displaystyle (x_{1},y_{1})=\left(\frac{3\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right)를 대입하면, 울타리의 장축의 길이는 45\displaystyle 4\sqrt{5} 가 된다. 한편, 단축의 길이는 2y1=22\displaystyle \frac{2}{y_{1}}=2\sqrt{2}이다. 이를 활용하여 울타리를 나타내는 타원의 방정식을 구하면,x220+y22=1\displaystyle \frac{x^{2}}{20}+\frac{y^{2}}{2}=1이 된다.

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