수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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<논제 I-1>

(1) 직교좌표계에서는 임의의 x,y\displaystyle x , y를 좌표로 하는 점 (x,y)\displaystyle \left( x , y \right)가 존재하나 무게중심 좌표는 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이를 배분하여 결정되었으므로 항상 u+v+w=m\displaystyle u + v + w = m (m\displaystyle m은 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이)를 만족해야 한다. 따라서 임의의 u,v,w\displaystyle u , v , w가 아니라 u+v+w=m\displaystyle u + v + w = m를 만족하는 u,v,w\displaystyle u , v , w에 대해서만 무게중심 좌표를 (u,v,w)\displaystyle \left( u , v , w \right)로 하는 점이 존재한다.

삼각형 PBC\displaystyle \mathrm{PBC}의 넓이는 고정된 밑변 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 길이와 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서 직선 BC\displaystyle \mathrm{BC}까지의 거리에 의해 결정된다. 따라서 삼각형 PBC\displaystyle \mathrm{PBC}의 넓이인 u\displaystyle u가 상수가 되기 위해서는 P\displaystyle \mathrm{P}에서 BC\displaystyle \mathrm{BC}까지의 거리가 상수이어야 하고 이러한 P\displaystyle \mathrm{P}의 자취는 직선 BC\displaystyle \mathrm{BC}와 평행한 직선이다. 마찬가지 이유로 v\displaystyle v가 상수인 점의 자취는 직선 CA\displaystyle \mathrm{CA}와 평행한 직선이고, w\displaystyle w가 상수인 점의 자취는 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 평행한 직선이다.

(2) 한 번의 옮겨 담기 과정에서 세 컵 중 하나는 그 물의 양이 변하지 않으므로, 삼각형 ABC 위의 점이 움직이는 방향은 <그림 2>의 Q처럼 항상 삼각형의 한 변과 평행하다. 한편 어느 한 컵이 완전히 차있거나 비워진 상태는 <그림 2>의 굵은 선 위의 점에 대응된다. 따라서 논제 (2)의 조건으로 옮겨 담는 과정에서는 항상 굵은 선 위의 점으로 삼각형의 한 변과 평행하게 이동한다. 또한 어느 한 컵을 완전히 채우거나 비워야 하므로 한 굵은 선분 위에서 다른 굵은 선분 위로 이동해야 한다. (다만 이 조건이 두 선분의 교점으로 이동하는 경우도 포함하는 것에 유의) 굵은 선분 하나를 따라 이동할 때는 끝점으로 이동한다고 표현할 수도 있다.

옮겨 담기를 반복하여 어느 한 컵에 정확히 4l\displaystyle 4 l의 물을 담은 상태는 굵은 선 위의 점들 중에서 적어도 하나의 좌표가 4인 점 R(4,4,0),S(0,4,4),T(4,0,4)\displaystyle \mathrm{R} \left( 4 , 4 , 0 \right) , \mathrm{S} \left( 0 , 4 , 4 \right) , \mathrm{T} \left( 4 , 0 , 4 \right)에 대응 된다. 그런데 이들 세 점은 굵은 선분들의 교점에 위치하지 않으므로, 삼각형 ABC의 변과 평행하게 움직여 R, S, 또는 T에 도달하기 위해서는 삼각형 RST의 변 위에 초기 배분 상태에 대응되는 시작점이 있어야 한다. (삼각형 RST의 변과 삼각형 ABC의 변이 평행함에 유의) 즉, 처음부터 어느 한 컵에 정확히 4l\displaystyle 4 l의 물이 담겨 있어야 한다.

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