수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

공학계열 1번

문제

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해설강의 준비중

[문제 1-1]

+3점 · 거리

음원과 측정기 간 거리 l을 구하기 위해 두 좌표 사이의 거리를 구하는 공식에 대입하여 아래와 같은 수식으로 올바르게 유도했으면 부분점수 3점 부여함.l(t)=[cost(1)]2+[sint(1)]2\displaystyle l(t)=\sqrt{[\cos t-(-1)]^2+[\sin t-(-1)]^2}=cos2t+sin2t+2(cost+sint)+2\displaystyle =\sqrt{\cos^2t+\sin^2t+2(\cos t+\sin t)+2}=2(cost+sint)+3\displaystyle =\sqrt{2(\cos t+\sin t)+3}

+5점 · 거리의 변화율

거리 l(t)의 t에 대한 변화율을 구하기 위해 아래와 같이 l(t)를 올바르게 미분했으면 부분점수 5점 부여함.dldt=p(t)=2(sint+cost)22(cost+sint)+3\displaystyle \frac{dl}{dt}=p(t)=\frac{2(-\sin t+\cos t)}{2\sqrt{2(\cos t+\sin t)+3}}=costsint2(cost+sint)+3\displaystyle =\frac{\cos t-\sin t}{\sqrt{2(\cos t+\sin t)+3}}

+2점 · 진동수

문제에서 주어진 f0=340\displaystyle f_0=340과 위에서 구한 p(t)\displaystyle p(t)를 측정기가 이동하는 경우의 도플러 효과와 관계된 식 f=340p340f0\displaystyle f=\frac{340-p}{340}f_0에 대입했으면 2점 부여함.f=340p340×340=340p\displaystyle f=\frac{340-p}{340}\times340=340-p=340+sintcost2(cost+sint)+3\displaystyle =340+\frac{\sin t-\cos t}{\sqrt{2(\cos t+\sin t)+3}}

(※ 이 후부터 f(t)\displaystyle f(t)라고 함)

[문제 1-2]

+4점 · 가까운 위치와 먼 위치

(cost,sint)\displaystyle (\cos t,\sin t)로 주어진 측정기의 이동 궤적은 좌표평면에서 반지름이 1인 원이다. 음원의 좌표 (1,1)\displaystyle (-1,-1)과 원의 중심을 모두 지나는 직선과 x축이 이루는 각도는 π4\displaystyle \frac\pi4이다. 또한 이 직선과 원이 만나는 두 교점 중 좌표 (1,1)\displaystyle (-1,-1)에 더 가까운 교점이 음원과 측정기 간 거리가 가장 짧은 지점(=가까운 지점)이며, 이 위치는 (12,12)\displaystyle \left(-\frac1{\sqrt2},-\frac1{\sqrt2}\right)이다. 한편 두 교점 중 좌표 (1,1)\displaystyle (-1,-1)에서 더 먼 교점이 음원과 측정기 간 거리가 가장 긴 지점(=먼 지점)이며, 이 위치는 (12,12)\displaystyle \left(\frac1{\sqrt2},\frac1{\sqrt2}\right)이다.

+3점 · 시간과 진동수

(12,12)\displaystyle \left(-\frac1{\sqrt2},-\frac1{\sqrt2}\right)에 이르는 시간은 t=2nπ+5π4 (n=0,1,2,3,)\displaystyle t=2n\pi+\frac{5\pi}4\ (n=0,1,2,3,\ldots)이므로, t=5π4\displaystyle t=\frac{5\pi}4초가 처음으로 가장 가까운 지점을 통과하는 시간이며, 이 때 진동수는 f(t)\displaystyle f(t)t=5π4\displaystyle t=\frac{5\pi}4를 대입한 값, 340+0=340Hz\displaystyle 340+0=340\,\mathrm{Hz}이다.(12,12)\displaystyle \left(\frac1{\sqrt2},\frac1{\sqrt2}\right)에 이르는 시간은 t=2nπ+π4 (n=0,1,2,3,)\displaystyle t=2n\pi+\frac\pi4\ (n=0,1,2,3,\ldots)이므로, t=π4\displaystyle t=\frac\pi4가 처음으로 가장 먼 지점을 통과하는 시간이며, 이 때 진동수는 f(t)\displaystyle f(t)t=π4\displaystyle t=\frac\pi4초를 대입한 값, 340+0=340Hz\displaystyle 340+0=340\,\mathrm{Hz}이다.

[문제 1-3]

+6점 · 진동수의 도함수

문제 1-1에서 구한 f(t)=340+sintcost2(cost+sint)+3\displaystyle f(t)=340+\frac{\sin t-\cos t}{\sqrt{2(\cos t+\sin t)+3}}를 아래와 같이 미분한다.dfdt=(cost+sint)2(cost+sint)+3(sintcost)(sint+cost)2(cost+sint)+32(cost+sint)+3\displaystyle \frac{df}{dt}=\frac{\begin{gathered}(\cos t+\sin t)\sqrt{2(\cos t+\sin t)+3}\\-\frac{(\sin t-\cos t)(-\sin t+\cos t)}{\sqrt{2(\cos t+\sin t)+3}}\end{gathered}}{2(\cos t+\sin t)+3}=(cost+sint)(2(cost+sint)+3)+(sintcost)2[2(cost+sint)+3]3/2\displaystyle =\frac{\begin{gathered}(\cos t+\sin t)(2(\cos t+\sin t)+3)\\+(\sin t-\cos t)^2\end{gathered}}{[2(\cos t+\sin t)+3]^{3/2}}=2(cost+sint)2+3(cost+sint)+(sintcost)2[2(cost+sint)+3]3/2\displaystyle =\frac{\begin{gathered}2(\cos t+\sin t)^2+3(\cos t+\sin t)\\+(\sin t-\cos t)^2\end{gathered}}{[2(\cos t+\sin t)+3]^{3/2}}=3+2sintcost+3(cost+sint)[2(cost+sint)+3]3/2\displaystyle =\frac{3+2\sin t\cos t+3(\cos t+\sin t)}{[2(\cos t+\sin t)+3]^{3/2}}

+6점 · 도함수의 영점

도함수를 다음과 같이 추가적으로 전개한다.dfdt=3+2sintcost+3(cost+sint)[2(cost+sint)+3]3/2\displaystyle \frac{df}{dt}=\frac{3+2\sin t\cos t+3(\cos t+\sin t)}{[2(\cos t+\sin t)+3]^{3/2}}=1+2sintcost+3(cost+sint)+2[2(cost+sint)+3]3/2\displaystyle =\frac{1+2\sin t\cos t+3(\cos t+\sin t)+2}{[2(\cos t+\sin t)+3]^{3/2}}=(cost+sint)2+3(cost+sint)+2[2(cost+sint)+3]3/2\displaystyle =\frac{(\cos t+\sin t)^2+3(\cos t+\sin t)+2}{[2(\cos t+\sin t)+3]^{3/2}}=(cost+sint+1)(cost+sint+2)[2(cost+sint)+3]3/2\displaystyle =\frac{(\cos t+\sin t+1)(\cos t+\sin t+2)}{[2(\cos t+\sin t)+3]^{3/2}}f(t)\displaystyle f(t)의 극값이 나타나는 t는 dfdt=0\displaystyle \frac{df}{dt}=0을 만족하는 t인데, 식의 분모는 모든 t에 대해 0보다 크고, 분자의 인수 중 cost+sint+2\displaystyle \cos t+\sin t+2는 0이 될 수 없으므로,cost+sint+1=0\displaystyle \cos t+\sin t+1=0 즉, cost+sint=1\displaystyle \cos t+\sin t=-1(인수분해 대신 그 전에 cost+sint=x\displaystyle \cos t+\sin t=x로 치환하고, 이차방정식 근의 공식을 사용해도 됨)을 만족하는 t를 찾으면 t=2nπ+π\displaystyle t=2n\pi+\pi 또는 2nπ+3π2 (n=0,1,2,3,)\displaystyle 2n\pi+\frac{3\pi}2\ (n=0,1,2,3,\ldots) 이다.또는 cost+sint+1=2sin(t+π4)+1=0\displaystyle \cos t+\sin t+1=\sqrt2\sin\left(t+\frac\pi4\right)+1=0 즉, sin(t+π4)=12\displaystyle \sin\left(t+\frac\pi4\right)=-\frac1{\sqrt2}인 t를 찾아도 동일한 답이 유도됨.

+6점 · 최대·최소

Correction. 문제 1의 배점은 문제지와 모범답안 제목에서 모두 30점이나 세부 채점기준의 합은 10+7+18=35\displaystyle 10+7+18=35점이므로 세부 배점에 오기가 있는 것으로 보인다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

f(t)\displaystyle f(t)는 주기가 2π\displaystyle 2\pi인 주기함수이므로 극댓값이 최댓값이고, 극솟값이 최솟값이다.0t<π\displaystyle 0\leq t<\pi에서 dfdt>0\displaystyle \frac{df}{dt}>0이고, π<t<3π2\displaystyle \pi<t<\frac{3\pi}2에서 dfdt<0\displaystyle \frac{df}{dt}<0이므로 t=π\displaystyle t=\pi초가 처음으로 극댓값 즉, 최댓값이 나타나는 시간이다.π<t<3π2\displaystyle \pi<t<\frac{3\pi}2에서 dfdt<0\displaystyle \frac{df}{dt}<0이고, 3π2<t<3π\displaystyle \frac{3\pi}2<t<3\pi에서 dfdt>0\displaystyle \frac{df}{dt}>0이므로 t=3π2\displaystyle t=\frac{3\pi}2초가 처음으로 극솟값 즉, 최솟값이 나타나는 시간이다.최댓값은 f(t)\displaystyle f(t)t=π\displaystyle t=\pi를 대입했을 때의 값, 340+1=341Hz\displaystyle 340+1=341\,\mathrm{Hz}이다.최솟값은 f(t)\displaystyle f(t)t=3π2\displaystyle t=\frac{3\pi}2를 대입했을 때의 값, 3401=339Hz\displaystyle 340-1=339\,\mathrm{Hz}이다.

[문제 1-1] 모범답안에 표시된 단계별 부분점수들을 모두 합하면 총 10점이 되도록 한다.

[문제 1-2] 모범답안에 표시된 단계별 부분점수들을 모두 합하면 총 7점이 되도록 한다. 좌표평면에 해당 도형을 그리고, 그림 안에 풀이에서 언급된 요소들이 모두 표시되어 있으면 올바른 풀이로 인정함.

[문제 1-3] 모범답안에 표시된 단계별 부분점수들을 모두 합하면 총 18점이 되도록 한다.

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