수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

공학계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+5점

[문제 1-1]

이등변삼각형 보조선을 그린 혜성과 지구 거리

지구 (E\displaystyle E)와 달 (M\displaystyle M)의 거리를 L\displaystyle L이라고 하고 혜성의 위치를 C\displaystyle C라고 한다. 그림과 같이 선분 MC\displaystyle MC에 대해 삼각형 EMC\displaystyle EMC에 대칭인 삼각형 MAC\displaystyle MAC를 그린 후, CEM\displaystyle \angle CEM을 이등분하도록 보조선 EB\displaystyle EB 그린다.

+2점

혜성과 지구의 거리를 X\displaystyle X라고 한다.

EAB=ABE=72\displaystyle \angle EAB= \angle ABE=72^\circ이므로 삼각형 EAB\displaystyle EAB는 이등변삼각형이다. 따라서,

EA=EB=2L\displaystyle \overline{EA} = \overline{EB} =2L

+2점

CEB=BCE=36\displaystyle \angle CEB= \angle BCE=36^\circ이므로 삼각형 EBC\displaystyle EBC는 이등변삼각형이다. 따라서,

EB=BC=2L\displaystyle \overline{EB} = \overline{BC} =2L

+3점

삼각형 EAC\displaystyle EAC와 삼각형 EAB\displaystyle EAB 닮은꼴이므로 EA:AC=AB:EA\displaystyle \overline{EA} : \overline{AC} = \overline{AB } : \overline{EA}이므로

2L:X=(X2L):2L\displaystyle 2L : X= \left ( X-2L \right ) : 2L

+3점

따라서,

X22LX4L2=0\displaystyle X ^{2} -2LX-4L ^{2} =0

X=2L±4L2+44L22=2L±20L22=L(1±5)\displaystyle X= \frac{2L\pm \sqrt {4L ^{2} +4 \cdot 4L ^{2}}}{2} = \frac{2L\pm \sqrt {20L ^{2}}}{2} =L \left ( 1\pm \sqrt {5} \right )

X>0\displaystyle X>0이므로,

X=L(1+5)\displaystyle X=L \left ( 1+ \sqrt {5} \right )

따라서, 지구-달, 지구-혜성의 거리비는

거리비=ECEM=L(1+5)L=1+5\displaystyle = \frac{\overline{EC}}{\overline{EM}} = \frac{L \left ( 1+ \sqrt {5} \right )}{L} =1+ \sqrt {5}

+2점

[문제 1-2]

원주각과 중심각의 관계

제시문 나)의 프톨레마이오스의 정리에 의해 AB×CD+BC×DA=AC×BD\displaystyle \overline{AB} \times \overline{CD} + \overline{BC} \times \overline{DA} = \overline{AC} \times \overline{BD}가 성립한다. 또 원에 내접하는 삼각형의 성질에 의해, BOD=2α,COD=2β\displaystyle \angle BOD=2\alpha, \angle COD=2\beta를 만족한다.

사인법칙을 적용하는 원에 내접하는 삼각형

그림 1-2에서 반지름 R\displaystyle R인 원에 내접하는 삼각형의 각을 α,β,γ\displaystyle \alpha, \beta, \gamma라고 하고 마주보는 변의 길이를 각각 a,b,c\displaystyle a, b, c라고 하면 다음이 성립한다.

asinα=bsinβ=csinγ=2R\displaystyle \frac{a}{\sin \alpha} = \frac{b}{\sin \beta} = \frac{c}{\sin \gamma} =2R (1-1)

또는 그림 1-3에서 선분 AB\displaystyle AB의 길이는 아래와 같이 계산할 수 있다.

AB=2Rsin(θ2)\displaystyle \overline{AB} =2R \sin \left ( \frac{\theta }{2} \right ) (1-2)

중심각 θ에 대한 현 AB의 길이

식 (1-1) 또는 (1-2)를 그림 1-1의 삼각형 ABC\displaystyle ABCACD\displaystyle ACD에 각각 적용하면,

BCsin(αβ)=2R,CDsinβ=2R\displaystyle \frac{\overline{BC}}{\sin \left ( \alpha-\beta \right )} =2R, \frac{\overline{CD}}{\sin \beta} =2R

따라서, 각 변의 길이를 각도 α,β\displaystyle \alpha, \beta와 원의 반지름 R\displaystyle R로 나타낼 수 있다.

AB=2Rsin(12(1802α))=2Rsin(90α)\displaystyle \overline{AB} =2R \sin \left ( \frac{1}{2} \left ( 180^\circ-2\alpha \right ) \right ) =2R \sin \left ( 90^\circ-\alpha \right )

+2점

BC=2Rsin(12(2α2β))=2Rsin(αβ)\displaystyle \overline{BC} =2R \sin \left ( \frac{1}{2} \left ( 2 \alpha -2 \beta \right ) \right ) =2R \sin \left ( \alpha - \beta \right )

(BC\displaystyle \overline{BC}는 코사인법칙으로도 구할 수 있음)

+2점

CD=2Rsin(12(2β))=2Rsin(β)\displaystyle \overline{CD} =2R \sin \left ( \frac{1}{2} \left ( 2\beta \right ) \right ) =2R \sin \left ( \beta \right )

+2점

AD=2R\displaystyle \overline{AD} =2R

+2점

AC=2Rsin(12(1802β))=2Rsin(90β)\displaystyle \overline{AC} =2R \sin \left ( \frac{1}{2} \left ( 180^\circ-2\beta \right ) \right ) =2R \sin \left ( 90^\circ-\beta \right )

+2점

BD=2Rsin(12(2α))=2Rsin(α)\displaystyle \overline{BD} =2R \sin \left ( \frac{1}{2} \left ( 2\alpha \right ) \right ) =2R \sin \left ( \alpha \right )

+8점

프톨레마이오스의 정리에 대입하면,

2Rsin(90α)×2Rsinβ+2Rsin(αβ)×2R=2Rsin(90β)×2Rsinα\displaystyle 2R \sin \left ( 90^\circ-\alpha \right ) \times 2R \sin \beta+2R \sin \left ( \alpha-\beta \right ) \times 2R=2R \sin \left ( 90^\circ-\beta \right ) \times 2R \sin \alpha

정리하면

sin(αβ)=sinαcosβcosαsinβ\displaystyle \sin \left ( \alpha-\beta \right ) =\sin \alpha \cos \beta-\cos \alpha \sin \beta

+5점

[문제 1-3]

[문제 1-2]에서 BC=2Rsin(αβ)=2Rsin(15)\displaystyle \overline{BC} =2R \sin \left ( \alpha-\beta \right ) =2R \sin \left ( 15^\circ \right )

삼각함수의 반각 공식을 이용하여 sin(15)\displaystyle \sin \left ( 15^\circ \right )를 구한다.

sin2θ2=1cosθ2\displaystyle \sin ^{2} \frac{\theta}{2} = \frac{1-\cos \theta}{2}

θ2=15\displaystyle \frac{\theta}{2} =15^\circ, 즉 θ=30\displaystyle \theta=30^\circ이므로,

sin215=1cos302=13/22=234\displaystyle \sin ^{2} 15^\circ= \frac{1-\cos 30^\circ}{2} = \frac{1- \sqrt {3} /2}{2} = \frac{2- \sqrt {3}}{4}

sin15=234=4238=3122=624\displaystyle \therefore \sin 15^\circ= \sqrt {\frac{2- \sqrt {3}}{4}} = \sqrt {\frac{4-2 \sqrt {3}}{8}} = \frac{\sqrt {3} -1}{2 \sqrt {2}} = \frac{\sqrt {6} - \sqrt {2}}{4}

따라서, BC=2sin(15)=622\displaystyle \overline{BC} =2\sin \left ( 15^\circ \right ) = \frac{\sqrt {6} - \sqrt {2}}{2}

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