경희대 2017학년도 온라인 모의 의학계 1번 · mathesis.kr/archive/khu/2017mo_online/uihak_1
문제
I. 다음 제시문과 그림을 참조하여 논제에 답하시오. <수학>
[가] 좌표평면에서 에 대한 부등식을 만족시키는 점 전체를 그 부등식의 영역이라고 한다. 일반적으로 부등식의 영역에 대하여 다음이 성립한다.
부등식의 영역
(1) 부등식 의 영역은 함수 의 그래프의 윗부분이다.
(2) 부등식 의 영역은 함수 의 그래프의 아랫부분이다.
[나] 두 함수 가 닫힌구간 에서 연속일 때, 두 곡선 와 두 직선 로 둘러싸인 도형의 넓이 는 이다.
[다] 아래 그림과 같이 단위원에서 부채꼴 의 중심각의 크기를 라디안이라고 하고, 점 에서의 접선과 선분 의 연장선의 교점을 라고 하자.

(i) 일 때, (의 넓이) < (부채꼴 의 넓이) < (의 넓이)가 성립하므로, 이고, 이다. 일 때, 이므로 각 변을 로 나누면 , 즉 이다. 그런데, 이므로, 이다.
(ii) 일 때, 로 놓으면 일 때, 이므로 이다. 따라서 (i), (ii)에 의하여 이다.
[라] 이면 무리함수 의 정의역은 , 치역은 이므로 그래프가 제1사분면에 있고, 이면 정의역은 , 치역은 이므로 그래프가 제2사분면에 있다. 그리고, 의 값이 커질수록 그래프는 축에서 멀어진다.
무리함수 ()의 그래프는 함수 의 그래프를 축의 방향으로 만큼 축의 방향으로 만큼 평행이동한 것이다.
[논제 I] 다음의 논제를 읽고 각 논제에 대해 논술하시오.

[논제 I-1] 반지름이 1인 원에 내접하는 정삼각형이 있다고 하자. 위의 점 와 같이, 이 정삼각형 내부의 점 중에서 정삼각형의 무게중심인 와의 거리가 정삼각형의 각 변과의 거리보다 작거나 같은 점들이 존재한다. 그러한 점들 전체는 정삼각형 내부의 영역을 이루는데, 그 영역의 넓이를 구하고 그 근거를 논술하시오. (15점)
[논제 I-2] 반지름이 1인 원에 내접하는 정각형이 있다고 하자. [논제 I-1] 에서와 같이, 이 정 각형의 내부의 점 중에서 정각형의 무게중심과의 거리가 정각형의 각 변과의 거리보다 작거나 같은 점들 전체로 이루어진 영역의 넓이를 으로 표현하고 근거를 논술하시오. 그리고 이 무한대로 증가할 때의 영역의 넓이의 극한을 계산하여 그 극한값이 임을 증명하시오. (15점)
[논제 I-3] 세로의 길이가 2이고 가로의 길이가 3인 직사각형이 있다. 앞선 논제와 같이, 이 직사각형의 내부의 점 중에서 직사각형의 무게중심과의 거리가 직사각형의 각 변과의 거리보다 작거나 같은 점들 전체로 이루어진 영역의 넓이를 구하고 그 근거를 논술하시오. (15점)
[논제 I-4] 세로의 길이가 2이고, 가로의 길이가 인 직사각형이 있다. 이 직사각형의 내부의 점 중에서 직사각형의 무게중심과의 거리가 직사각형의 변과의 거리보다 작거나 같은 점들 전체로 이루어진 영역을 생각하자. 그 영역의 넓이를 로 표현하고 그 영역의 넓이가 최대가 되는 모든 를 구하시오. 그리고 그 근거를 논술하시오. 여기에서, 라고 가정한다. (15점)
경희대 2017학년도 온라인 모의 의학계 1번 · mathesis.kr/archive/khu/2017mo_online/uihak_1
논제I-(1)

왼쪽 그림과 같이 좌표평면위에 반지름이 1인 원과 정삼각형 를 생각한다. 그러면, 점 와 점 의 좌표는 각각 , 이 된다. 삼각형 와 , 는 모두 합동이므로, 삼각형 내부의 점은 변 와의 거리가 다른 변과의 거리보다 작다. 그래서 삼각형 내부에서 논제에 주어진 영역의 넓이를 구하고 그 영역의 3배를 하면 원하는 영역의 넓이를 구할 수 있다. 그럼 삼각형 내부에서 주어진 영역을 구하여보자.
삼각형 내부의 점 가 무게중심 와의 거리보다 변 와의 거리가 더 크거나 같다고 가정하자. 그러면, 부등식 를 만족한다는 것을 알 수 있다. 양변을 제곱하여 정리하면, 부등식 이 된다. 삼각형 내부에서 앞의 부등식을 만족하는 영역을 구하면 되므로, 포물선 과 선분 를 나타내는 직선 과의 교점을 먼저 구한다. 2차방정식을 통해 계산하면, 그 교점의 좌표는 이 된다.
따라서, 구하고자 하는 전체 영역의 넓이는 이다.
논제I-(2)

논제I-(1)에서와 같은 방법을 사용하면 아래 그림과 같은 이등변 삼각형 만을 고려하면 구하고자 하는 영역의 넓이를 계산할 수 있다. 여기에서 점 의 좌표는 이다. 편의상 , 이라 하자. 그러면, 논제I-(1)에서와 같이, 구하고자 하는 영역의 점 는 을 만족한다. 이를 정리하면, 이 된다. 영역의 경계인 포물선 과 선분 를 나타내는 직선 의 교점을 구하면 이 된다. 따라서, 구하고자 하는 전체 영역의 넓이는 이다. 이를 정리하면, 이 된다. 이고, 이를 이용하면, 임을 알 수 있으므로, 이고, 이 된다. 그러므로, 극한값은 가 된다.
논제I-(3)

세로의 길이가 2이고 가로의 길이가 3인 직사각형을 왼쪽 그림과 같이 좌표평면에 놓고 논제I-(1)과 논제I-(2)에서와 같은 방법으로, 제1사분면에서의 영역을 고려하고 4배를 하여 전체 영역의 넓이를 구하고자 한다.
직사각형 내부에서 제1사분면에 있는 점 와 무게중심 와의 거리가 윗변과의 거리보다 작거나 같다면 을 만족하고 이를 정리하면 이 된다. 또한 점 와 무게중심 와의 거리가 오른쪽 변과의 거리보다 작거나 같다면 을 만족하고 이를 정리하면 이 된다. 따라서 앞선 두 부등식 모두를 만족하는 영역의 넓이를 구하면 된다. 두 영역의 경계선이 만나는 교점은 방정식 을 해결하면 된다. 두 영역의 경계선이 되는 포물선의 그래프를 보면 제1사분면에서는 한 점에서 만난다는 것을 알 수 있으므로, 이 방정식은 제1사분면에서 1개의 실근을 갖는다는 것을 알 수 있다. 앞의 방정식은 로 표현되기 때문에, 이 되고, 인 실근을 갖는다.
따라서 구하고자 하는 전체 영역의 넓이는 이고, 이를 정리하면, 이다.
논제I-(4)
논제I-(3)과 같은 방법을 사용하면 문제를 해결할 수 있는데, 위의 그림에서 3/2를 로 생각하면 된다. 따라서 부등식 과 을 만족하는 영역의 넓이를 구하도록 하자. 포물선 의 절편은 , 절편은 이고, 포물선 의 절편은 , 절편은 이므로, 인 경우 두 영역의 경계선은 제1사분면 내부에서 만나지 않고, 인 경우에만 만난다.
(i) 인 경우; 제1사분면에서 구하고자 하는 영역은 부등식 을 만족하는 영역이므로, 전체 영역의 넓이는 이고, 계산하면 가 된다.
(ii) 인 경우; 방정식 를 해결하면 교점을 구할 수 있는데, 그 방정식의 양변을 제곱하고 정리하면 방정식 을 얻을 수 있다. 따라서 이 되고 인 실근을 갖는다. 그러므로 구하고자 하는 전체 영역의 넓이는 이고, 이를 정리하면, 이다.
두 영역의 그림을 그려보면 알 수 있듯이, 의 범위에서 이므로, 인 경우 가 크면 클수록 영역의 넓이가 커지고, 이때의 넓이는 일 때의 넓이인 보다 작다. 따라서 인 경우에 최대넓이 로서 일정한 넓이를 가지므로, 주어진 영역의 최대가 되는 의 범위는 인 모든 실수가 된다.
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