수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

[논제 I-1]

논제에서는 각 지점에서 소리를 감지한 시각만 주어져 있어 시간차만을 알 수 있다. 지점 B에서 소리를 감지한 시각 tB\displaystyle t_{\mathrm B}와 지점 A에서 소리를 감지한 시각 tA\displaystyle t_{\mathrm A}의 차이 tBtA\displaystyle t_{\mathrm B}-t_{\mathrm A}3\displaystyle 3초이다. 지점 P에서 지점 A와 B까지 거리를 각각 dA\displaystyle d_{\mathrm A}dB\displaystyle d_{\mathrm B}라고 하면 소리의 속력이 1km/\displaystyle 1\mathrm{km}/초로 일정하기 때문에 dBdA\displaystyle d_{\mathrm B}-d_{\mathrm A}는 속력과 시간차를 곱한 3km\displaystyle 3\mathrm{km}임을 알 수 있다. 지점 P의 좌표 (x,y)\displaystyle (x,y)가 초점을 A와 B로 하고 거리의 차가 3\displaystyle 3인 쌍곡선의 방정식을 만족한다. 똑같은 방법을 지점 C와 D에 적용하면 P(x,y)\displaystyle P(x,y)는 초점을 C와 D로 하고 거리의 차가 1\displaystyle 1인 쌍곡선의 방정식을 또한 만족한다. 지점 A, B, C, D가 서로 다르기 때문에 이 두 쌍곡선의 방정식을 동시에 만족하는 좌표는 총 4\displaystyle 4개가 존재하고 지점 P의 좌표가 그 중 하나이다. 또한, 지점 A가 B보다 먼저 소리를 감지하였고, 지점 C가 D보다 먼저 감지하였기 때문에 네 개의 해 중에서 P의 좌표를 유일하게 결정할 수 있다.Comment. 논제 I-2에 주어진 좌표에서는 도착 순서로 한 점을 정할 수 있다. 다만 A,B,C,D\displaystyle A,B,C,D가 서로 다르다는 사실만으로 교점의 개수나 P\displaystyle P의 유일성이 보장되지는 않는다. 예를 들어A=(0,0),B=(33,0),C=(3,0),D=(25,0)\displaystyle A=(0,0),\quad B=(\sqrt{33},0),\quad C=(3,0),\quad D=(2\sqrt5,0)이면 P=(0,4)\displaystyle P=(0,4)P=(0,4)\displaystyle P=(0,-4)에서 각 지점까지의 거리가 모두 같아, 거리차와 도착 순서로 두 점을 구별할 수 없다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[논제 I-2]

지점 O를 원점, O를 지나는 동서 방향선을 x\displaystyle x축, O를 지나는 남북 방향선을 y\displaystyle y축, 단위를 km로 대응하면 행성의 지표면을 좌표 평면으로 생각할 수 있다. 두 초점이 A(2,0)\displaystyle \mathrm A(2,0)B(2,0)\displaystyle \mathrm B(-2,0)이고 거리의 차가 3인 쌍곡선의 방정식은 x29/4y27/4=1\displaystyle \frac{x^2}{9/4}-\frac{y^2}{7/4}=1이고, 두 초점이 C(0,1)\displaystyle \mathrm C(0,1)D(0,1)\displaystyle \mathrm D(0,-1)이고 거리의 차가 1인 쌍곡선의 방정식은 x23/4y21/4=1\displaystyle \frac{x^2}{3/4}-\frac{y^2}{1/4}=-1이다. 이 두 방정식을 연립하여 해를 구하면 (x,y)=(±322,±72)\displaystyle (x,y)=\left(\pm\frac{3\sqrt2}{2},\pm\frac{\sqrt7}{2}\right)이다.

그런데, 지점 A가 B보다 P에 더 가깝기 때문에 P의 x\displaystyle x좌표는 322\displaystyle \frac{3\sqrt2}{2}이고, 지점 C가 지점 D보다 P에 더 가까워 P의 y\displaystyle y좌표는 72\displaystyle \frac{\sqrt7}{2}이다. 따라서 외계 생물은 탐사선 O에서 동쪽으로 322km\displaystyle \frac{3\sqrt2}{2}\mathrm{km}, 북쪽으로 72km\displaystyle \frac{\sqrt7}{2}\mathrm{km} 떨어진 곳에 위치한다.

[논제 I-3]

주어진 관계식 dAdB+dEdF=3t\displaystyle d_{\mathrm A}-d_{\mathrm B}+d_{\mathrm E}-d_{\mathrm F}=3\sqrt tdAdBdE+dF=t\displaystyle d_{\mathrm A}-d_{\mathrm B}-d_{\mathrm E}+d_{\mathrm F}=\sqrt t를 더하면 2(dAdB)=4t\displaystyle 2(d_{\mathrm A}-d_{\mathrm B})=4\sqrt t를 얻고 dAdB=2t\displaystyle d_{\mathrm A}-d_{\mathrm B}=2\sqrt t임을 알 수 있다. 한편, 두 방정식의 차이를 구하면 관계식 dEdF=t\displaystyle d_{\mathrm E}-d_{\mathrm F}=\sqrt t를 얻는다. 이를 이용하여 초점 A와 B를 가지고 거리의 차가 2t\displaystyle 2\sqrt t인 쌍곡선의 방정식은 x2ty24t=1\displaystyle \frac{x^2}{t}-\frac{y^2}{4-t}=1이고, 초점 E와 F를 가지고 거리의 차가 t\displaystyle \sqrt t인 쌍곡선의 방정식은 x2ty21t=1\displaystyle \frac{x^2}{t}-\frac{y^2}{1-t}=1임을 알 수 있다. 외계 생물의 위치 (x,y)\displaystyle (x,y)는 두 쌍곡선의 방정식을 동시에 만족하므로 연립하여 풀면 x2=t2+5t4\displaystyle x^2=\frac{-t^2+5t}{4}, y2=t25t+44\displaystyle y^2=\frac{t^2-5t+4}{4}를 얻는다. 따라서 (x,y)\displaystyle (x,y)는 방정식 x2+y2=1\displaystyle x^2+y^2=1을 만족한다. 그러므로 외계 생물은 탐사선에서 거리 1km\displaystyle 1\mathrm{km}를 유지하며 원의 일부분을 따라 움직이고 있음을 알 수 있다.Correction. 쌍곡선의 식 x2ty21t=1\displaystyle \frac{x^2}{t}-\frac{y^2}{1-t}=1에서 오른쪽의 1\displaystyle 11/4\displaystyle 1/4의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

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