수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] (25점), 답안지의 [수학 3] 답란에 답안을 작성하시오.

(가) 중심이 원점이고 닮음비가 k\displaystyle k (k≠0\displaystyle k\ne0)인 닮음변환을 나타내는 행렬은 (k00k)\displaystyle \begin{pmatrix}k&0\\0&k\end{pmatrix}이다. 또한 원점을 중심으로 각 θ\displaystyle \theta만큼 회전시키는 회전변환을 나타내는 행렬은 (cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ)\displaystyle \begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}이다.

(나) 두 일차변환 f,g\displaystyle f,g를 나타내는 행렬을 각각 A,B\displaystyle A,B라 하면, 합성변환 g∘f\displaystyle g\circ f도 일차변환이고 이를 나타내는 행렬은 BA\displaystyle BA이다.

(다) 영행렬 및 닮음변환과 회전변환의 합성변환을 나타내는 모든 행렬의 집합을T={kP∣k는 실수,P는 회전변환을 나타내는 행렬}\displaystyle T=\{kP\mid k\text{는 실수},P\text{는 회전변환을 나타내는 행렬}\}이라 하자. 이때, A,B∈T\displaystyle A,B\in T이면 AB∈T\displaystyle AB\in T이고, A+B∈T\displaystyle A+B\in T이다.

(※) 원점을 중심으로 각 θ\displaystyle \theta (0<θ<π\displaystyle 0<\theta<\pi)만큼 회전시키는 회전변환을 나타내는 행렬을 A\displaystyle A, 단위행렬을 E\displaystyle E라 하자.

(3-1) 행렬 E+A\displaystyle E+A는 닮음비가 k>0\displaystyle k>0인 닮음변환과 회전변환의 합성변환을 나타낸다. 이때, k\displaystyle k를 θ\displaystyle \theta로 나타내시오. (10점)

(3-2) 등식 (E+cA)6=E\displaystyle (E+cA)^6=E를 만족하는 모든 양수 c\displaystyle c와 그에 대응되는 cos⁡θ\displaystyle \cos\theta의 값을 구하시오. (15점)

해설강의 준비중

(3-1)A=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ)\displaystyle A=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix} (0<θ<π\displaystyle 0<\theta<\pi), E=(1001)\displaystyle E=\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}이므로 E+A=(1+cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θ1+cos⁡θ)\displaystyle E+A=\begin{pmatrix}1+\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&1+\cos\theta\end{pmatrix}이다.제시문 (다)에 의해 A,E∈T\displaystyle A,E\in T이므로 E+A∈T\displaystyle E+A\in T이다. 따라서 E+A=kP\displaystyle E+A=kP로 표현할 수 있고,(1+cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θ1+cos⁡θ)=(kcos⁡α−ksin⁡αksin⁡αkcos⁡α)\displaystyle \begin{pmatrix}1+\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&1+\cos\theta\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}k\cos\alpha&-k\sin\alpha\\k\sin\alpha&k\cos\alpha\end{pmatrix},여기서 P=(cos⁡α−sin⁡αsin⁡αcos⁡α)\displaystyle P=\begin{pmatrix}\cos\alpha&-\sin\alpha\\\sin\alpha&\cos\alpha\end{pmatrix}, 0<α<π\displaystyle 0<\alpha<\pi이다. 따라서 연립방정식 {1+cos⁡θ=kcos⁡αsin⁡θ=ksin⁡α\displaystyle \begin{cases}1+\cos\theta=k\cos\alpha\\\sin\theta=k\sin\alpha\end{cases}을 얻는다. 두 식을 제곱하여 변변 더하면k2=(1+cos⁡θ)2+sin⁡2θ=2+2cos⁡θ\displaystyle k^2=(1+\cos\theta)^2+\sin^2\theta=2+2\cos\theta∴k=2+2cos⁡θ=4(1+cos⁡θ2)=4cos⁡2θ2=2cos⁡θ2(∵k>0)\displaystyle \therefore k=\sqrt{2+2\cos\theta}=\sqrt{4(\frac{1+\cos\theta}2)}=\sqrt{4\cos^2\frac\theta2}=2\cos\frac\theta2\quad(\because k>0)

(3-2)제시문 (다)에 의해 E,cA∈T\displaystyle E,cA\in T이므로 E+cA∈T\displaystyle E+cA\in T이다 따라서 (3-1)과 마찬가지로(1+ccos⁡θ−csin⁡θcsin⁡θ1+ccos⁡α)6=(E+cA)6=(kcos⁡α−ksin⁡αksin⁡αkcos⁡α)6\displaystyle \begin{pmatrix}1+c\cos\theta&-c\sin\theta\\c\sin\theta&1+c\cos\alpha\end{pmatrix}^6=(E+cA)^6=\begin{pmatrix}k\cos\alpha&-k\sin\alpha\\k\sin\alpha&k\cos\alpha\end{pmatrix}^6,Correction. 왼쪽 행렬의 오른쪽 아래 성분은 1+ccos⁡α\displaystyle 1+c\cos\alpha가 아니라 1+ccos⁡θ\displaystyle 1+c\cos\theta이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.여기서 k\displaystyle k는 양의 실수, 0<α<π\displaystyle 0<\alpha<\pi로 나타낼 수 있다. (kcos⁡α−ksin⁡αksin⁡αkcos⁡α)6=(1001)\displaystyle \begin{pmatrix}k\cos\alpha&-k\sin\alpha\\k\sin\alpha&k\cos\alpha\end{pmatrix}^6=\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}에서 k6=1\displaystyle k^6=1이므로 k=1\displaystyle k=1이고, 6α=2π,4π\displaystyle 6\alpha=2\pi,4\pi이므로 α=π3,2π3\displaystyle \alpha=\frac\pi3,\frac{2\pi}3이다. 또한 연립방정식{1+ccos⁡θ=kcos⁡αcsin⁡θ=ksin⁡α\displaystyle \begin{cases}1+c\cos\theta=k\cos\alpha\\c\sin\theta=k\sin\alpha\end{cases} --- ①으로부터 두 식을 제곱하여 변변 더하면1=(1+ccos⁡θ)2+c2sin⁡2θ⇔cos⁡θ=−c2\displaystyle 1=(1+c\cos\theta)^2+c^2\sin^2\theta\Leftrightarrow\cos\theta=-\frac c2 --- ②.①의 첫 번째 식 1+ccos⁡θ=cos⁡α\displaystyle 1+c\cos\theta=\cos\alpha에 ②식을 대입하면 c2=2−2cos⁡α\displaystyle c^2=2-2\cos\alpha이다. 따라서α=π3\displaystyle \alpha=\frac\pi3일 때, c2=1⇒c=1,cos⁡θ=−12\displaystyle c^2=1\Rightarrow c=1,\cos\theta=-\frac12α=2π3\displaystyle \alpha=\frac{2\pi}3일 때, c2=3⇒c=3,cos⁡θ=−32\displaystyle c^2=3\Rightarrow c=\sqrt3,\cos\theta=-\frac{\sqrt3}2

평가 기준
제시문을 이해, 활용하는 능력
주어진 회전변환, 닮음변환의 기본성질의 이해도
행렬과 삼각함수 등에 관한 계산 능력
논리적인 답안 작성 능력

첨삭 사례

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