수리논술, 이게 다다.

의학계 1번

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문제

I. 다음 제시문과 그림을 참조하여 논제에 답하시오. <수학>

[가] 좌표평면에서 x,y\displaystyle x , y에 대한 부등식을 만족시키는 점 (x,y)\displaystyle ( x , y )전체를 그 부등식의 영역이라고 한다. 일반적으로 부등식의 영역에 대하여 다음이 성립한다.

부등식의 영역

(1) 부등식 y>f(x)\displaystyle y > f ( x )의 영역은 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프의 윗부분이다.

(2) 부등식 y<f(x)\displaystyle y < f ( x )의 영역은 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 그래프의 아랫부분이다.

[나] 두 함수 f(x),g(x)\displaystyle f ( x ) , g ( x )가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [ a , b ]에서 연속일 때, 두 곡선 y=f(x),y=g(x)\displaystyle y = f ( x ) , y = g ( x )와 두 직선 x=a,x=b\displaystyle x = a , x = b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는 S=∫ab∣f(x)−g(x)∣dx\displaystyle S = \int_{a}^{b} {| f ( x ) - g ( x ) | d x}이다.

[다] 아래 그림과 같이 단위원에서 부채꼴 AOB\displaystyle AOB의 중심각의 크기를 x\displaystyle x라디안이라고 하고, 점 A\displaystyle A에서의 접선과 선분 OB\displaystyle OB의 연장선의 교점을 T\displaystyle T라고 하자.

단위원의 부채꼴과 접선

(i) 0<x<π2\displaystyle 0<x<\frac\pi2일 때, (△AOB\displaystyle \triangle\mathrm{AOB}의 넓이) < (부채꼴 AOB\displaystyle \mathrm{AOB}의 넓이) < (△AOT\displaystyle \triangle\mathrm{AOT}의 넓이)가 성립하므로, 12sin⁡x<12x<12tan⁡x\displaystyle \frac12\sin x<\frac12x<\frac12\tan x이고, sin⁡x<x<tan⁡x\displaystyle \sin x<x<\tan x이다. 0<x<π2\displaystyle 0<x<\frac\pi2일 때, sin⁡x>0\displaystyle \sin x>0이므로 각 변을 sin⁡x\displaystyle \sin x로 나누면 1<xsin⁡x<1cos⁡x\displaystyle 1<\frac{x}{\sin x}<\frac1{\cos x}, 즉 1>sin⁡xx>cos⁡x\displaystyle 1>\frac{\sin x}{x}>\cos x이다. 그런데, lim⁡x→0+cos⁡x=1\displaystyle \lim_{x\to0+}\cos x=1이므로, lim⁡x→0+sin⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0+}\frac{\sin x}{x}=1이다.

(ii) −π2<x<0\displaystyle -\frac\pi2<x<0일 때, x=−t\displaystyle x=-t로 놓으면 x→0−\displaystyle x\to0-일 때, t→0+\displaystyle t\to0+이므로 lim⁡x→0−sin⁡xx=lim⁡t→0+sin⁡(−t)−t=lim⁡t→0+sin⁡tt=1\displaystyle \lim_{x\to0-}\frac{\sin x}{x}=\lim_{t\to0+}\frac{\sin(-t)}{-t}=\lim_{t\to0+}\frac{\sin t}{t}=1이다. 따라서 (i), (ii)에 의하여 lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1이다.

[라] a>0\displaystyle a>0이면 무리함수 y=ax\displaystyle y=\sqrt{ax}의 정의역은 {x∣x≥0}\displaystyle \{x\mid x\ge0\}, 치역은 {y∣y≥0}\displaystyle \{y\mid y\ge0\}이므로 그래프가 제1사분면에 있고, a<0\displaystyle a<0이면 정의역은 {x∣x≤0}\displaystyle \{x\mid x\le0\}, 치역은 {y∣y≥0}\displaystyle \{y\mid y\ge0\}이므로 그래프가 제2사분면에 있다. 그리고, ∣a∣\displaystyle |a|의 값이 커질수록 그래프는 x\displaystyle x축에서 멀어진다.

무리함수 y=a(x−p)+q\displaystyle y=\sqrt{a(x-p)}+q (a≠0\displaystyle a\ne0)의 그래프는 함수 y=ax\displaystyle y=\sqrt{ax}의 그래프를 x\displaystyle x축의 방향으로 p\displaystyle p만큼 y\displaystyle y축의 방향으로 q\displaystyle q만큼 평행이동한 것이다.

[논제 I] 다음의 논제를 읽고 각 논제에 대해 논술하시오.

정삼각형의 무게중심과 내부의 점

[논제 I-1] 반지름이 1인 원에 내접하는 정삼각형이 있다고 하자. 위의 점 X\displaystyle X와 같이, 이 정삼각형 내부의 점 중에서 정삼각형의 무게중심인 O\displaystyle O와의 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 정n\displaystyle n각형이 있다고 하자. [논제 I-1] 에서와 같이, 이 정 n\displaystyle n각형의 내부의 점 중에서 정n\displaystyle n각형의 무게중심과의 거리가 정n\displaystyle n각형의 각 변과의 거리보다 작거나 같은 점들 전체로 이루어진 영역의 넓이를 n\displaystyle n으로 표현하고 근거를 논술하시오. 그리고 n\displaystyle n이 무한대로 증가할 때의 영역의 넓이의 극한을 계산하여 그 극한값이 π4\displaystyle \frac{\pi}{4}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 2t\displaystyle 2 t인 직사각형이 있다. 이 직사각형의 내부의 점 중에서 직사각형의 무게중심과의 거리가 직사각형의 변과의 거리보다 작거나 같은 점들 전체로 이루어진 영역을 생각하자. 그 영역의 넓이를 t\displaystyle t로 표현하고 그 영역의 넓이가 최대가 되는 모든 t\displaystyle t를 구하시오. 그리고 그 근거를 논술하시오. 여기에서, t≥1\displaystyle t \geq 1라고 가정한다. (15점)

해설강의 준비중

논제I-(1)

단위원과 정삼각형

왼쪽 그림과 같이 좌표평면위에 반지름이 1인 원과 정삼각형 ABC\displaystyle ABC를 생각한다. 그러면, 점 A\displaystyle A와 점 B\displaystyle B의 좌표는 각각 (32,12)\displaystyle \left(\frac{\sqrt3}{2},\frac12\right), (−32,12)\displaystyle \left(-\frac{\sqrt3}{2},\frac12\right)이 된다. 삼각형 OAB\displaystyle OAB와 OAC\displaystyle OAC, OBC\displaystyle OBC는 모두 합동이므로, 삼각형 OAB\displaystyle OAB 내부의 점은 변 AB\displaystyle AB와의 거리가 다른 변과의 거리보다 작다. 그래서 삼각형 OAB\displaystyle OAB 내부에서 논제에 주어진 영역의 넓이를 구하고 그 영역의 3배를 하면 원하는 영역의 넓이를 구할 수 있다. 그럼 삼각형 OAB\displaystyle OAB 내부에서 주어진 영역을 구하여보자.

삼각형 OAB\displaystyle OAB 내부의 점 (x,y)\displaystyle (x,y)가 무게중심 O\displaystyle O와의 거리보다 변 AB\displaystyle AB와의 거리가 더 크거나 같다고 가정하자. 그러면, 부등식 x2+y2≤12−y\displaystyle \sqrt{x^2+y^2}\le\frac12-y를 만족한다는 것을 알 수 있다. 양변을 제곱하여 정리하면, 부등식 y≤14−x2\displaystyle y\le\frac14-x^2이 된다. 삼각형 OAB\displaystyle OAB 내부에서 앞의 부등식을 만족하는 영역을 구하면 되므로, 포물선 y=14−x2\displaystyle y=\frac14-x^2과 선분 OA\displaystyle OA를 나타내는 직선 y=13x\displaystyle y=\frac1{\sqrt3}x과의 교점을 먼저 구한다. 2차방정식을 통해 계산하면, 그 교점의 좌표는 (123,16)\displaystyle \left(\frac1{2\sqrt3},\frac16\right)이 된다.

따라서, 구하고자 하는 전체 영역의 넓이는 2⋅3⋅(∫01/(23)(14−x2)dx−1212316)=5123\displaystyle 2\cdot3\cdot\left(\int_0^{1/(2\sqrt3)}\left(\frac14-x^2\right)dx-\frac12\frac1{2\sqrt3}\frac16\right)=\frac5{12\sqrt3}이다.

논제I-(2)

정다각형의 중심과 두 꼭짓점

논제I-(1)에서와 같은 방법을 사용하면 아래 그림과 같은 이등변 삼각형 OAB\displaystyle OAB만을 고려하면 구하고자 하는 영역의 넓이를 계산할 수 있다. 여기에서 점 A\displaystyle A의 좌표는 (sin⁡πn,cos⁡πn)\displaystyle \left(\sin\frac\pi n,\cos\frac\pi n\right)이다. 편의상 sn=sin⁡πn\displaystyle s_n=\sin\frac\pi n, cn=cos⁡πn\displaystyle c_n=\cos\frac\pi n이라 하자. 그러면, 논제I-(1)에서와 같이, 구하고자 하는 영역의 점 (x,y)\displaystyle (x,y)는 x2+y2≤(cn−y)2\displaystyle x^2+y^2\le(c_n-y)^2을 만족한다. 이를 정리하면, y≤cn2−12cnx2\displaystyle y\le\frac{c_n}{2}-\frac1{2c_n}x^2이 된다. 영역의 경계인 포물선 y=cn2−12cnx2\displaystyle y=\frac{c_n}{2}-\frac1{2c_n}x^2과 선분 OA\displaystyle OA를 나타내는 직선 y=cnsnx\displaystyle y=\frac{c_n}{s_n}x의 교점을 구하면 (cn(1−cn)sn,cn2(1−cn)sn2)\displaystyle \left(\frac{c_n(1-c_n)}{s_n},\frac{c_n^2(1-c_n)}{s_n^2}\right)이 된다. 따라서, 구하고자 하는 전체 영역의 넓이는 2n(∫0cn(1−cn)/sncn2−12cnx2dx−12cn(1−cn)sncn2(1−cn)sn2)\displaystyle 2n\left(\int_0^{c_n(1-c_n)/s_n}\frac{c_n}{2}-\frac1{2c_n}x^2dx-\frac12\frac{c_n(1-c_n)}{s_n}\frac{c_n^2(1-c_n)}{s_n^2}\right)이다. 이를 정리하면, ncn2(1−cn)2(2+cn)3sn3\displaystyle \frac{nc_n^2(1-c_n)^2(2+c_n)}{3s_n^3}이 된다. lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1이고, 이를 이용하면, lim⁡x→01−cos⁡xx2=12\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x^2}=\frac12임을 알 수 있으므로, lim⁡n→∞nsn=π\displaystyle \lim_{n\to\infty}ns_n=\pi이고, lim⁡n→∞n2(1−cn)=π22\displaystyle \lim_{n\to\infty}n^2(1-c_n)=\frac{\pi^2}{2}이 된다. 그러므로, 극한값은 π4\displaystyle \frac\pi4가 된다.

논제I-(3)

세로 2, 가로 3인 직사각형

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 (x,y)\displaystyle (x,y)와 무게중심 O\displaystyle O와의 거리가 윗변과의 거리보다 작거나 같다면 x2+y2≤(1−y)2\displaystyle x^2+y^2\le(1-y)^2을 만족하고 이를 정리하면 y≤12−12x2\displaystyle y\le\frac12-\frac12x^2이 된다. 또한 점 (x,y)\displaystyle (x,y)와 무게중심 O\displaystyle O와의 거리가 오른쪽 변과의 거리보다 작거나 같다면 x2+y2≤(32−x)2\displaystyle x^2+y^2\le\left(\frac32-x\right)^2을 만족하고 이를 정리하면 y≤94−3x=323−4x\displaystyle y\le\sqrt{\frac94-3x}=\frac{\sqrt3}{2}\sqrt{3-4x}이 된다. 따라서 앞선 두 부등식 모두를 만족하는 영역의 넓이를 구하면 된다. 두 영역의 경계선이 만나는 교점은 방정식 (1−x)2(1+x)2=3(3−4x)\displaystyle (1-x)^2(1+x)^2=3(3-4x)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 (1+x)2((1+x)2−4x)=3(3−4x)\displaystyle (1+x)^2((1+x)^2-4x)=3(3-4x)로 표현되기 때문에, (1+x)2=3\displaystyle (1+x)^2=3이 되고, x=3−1\displaystyle x=\sqrt3-1인 실근을 갖는다.

따라서 구하고자 하는 전체 영역의 넓이는 4(∫03−1(12−12x2)dx+∫3−13/4323−4x dx)\displaystyle 4\left(\int_0^{\sqrt3-1}\left(\frac12-\frac12x^2\right)dx+\int_{\sqrt3-1}^{3/4}\frac{\sqrt3}{2}\sqrt{3-4x}\,dx\right)이고, 이를 정리하면, 203−313\displaystyle \frac{20\sqrt3-31}{3}이다.

논제I-(4)

논제I-(3)과 같은 방법을 사용하면 문제를 해결할 수 있는데, 위의 그림에서 3/2를 t\displaystyle t로 생각하면 된다. 따라서 부등식 y≤12−12x2\displaystyle y\le\frac12-\frac12x^2과 y≤tt−2x\displaystyle y\le\sqrt t\sqrt{t-2x}을 만족하는 영역의 넓이를 구하도록 하자. 포물선 y=12−12x2\displaystyle y=\frac12-\frac12x^2의 x\displaystyle x절편은 (1,0)\displaystyle (1,0), y\displaystyle y절편은 (0,12)\displaystyle \left(0,\frac12\right)이고, 포물선 y=tt−2x\displaystyle y=\sqrt t\sqrt{t-2x}의 x\displaystyle x절편은 (t2,0)\displaystyle \left(\frac t2,0\right), y\displaystyle y절편은 (0,t)\displaystyle (0,t)이므로, t≥2\displaystyle t\ge2인 경우 두 영역의 경계선은 제1사분면 내부에서 만나지 않고, 1≤t<2\displaystyle 1\le t<2인 경우에만 만난다.

(i) t≥2\displaystyle t\ge2인 경우; 제1사분면에서 구하고자 하는 영역은 부등식 y≤12−12x2\displaystyle y\le\frac12-\frac12x^2을 만족하는 영역이므로, 전체 영역의 넓이는 4(∫01(12−12x2)dx)\displaystyle 4\left(\int_0^1\left(\frac12-\frac12x^2\right)dx\right)이고, 계산하면 43\displaystyle \frac43가 된다.

(ii) 1≤t<2\displaystyle 1\le t<2인 경우; 방정식 (1−x2)=2tt−2x\displaystyle (1-x^2)=2\sqrt t\sqrt{t-2x}를 해결하면 교점을 구할 수 있는데, 그 방정식의 양변을 제곱하고 정리하면 방정식 (1+x)2((1+x)2−4x)=2t(2t−4x)\displaystyle (1+x)^2((1+x)^2-4x)=2t(2t-4x)을 얻을 수 있다. 따라서 (1+x)2=2t\displaystyle (1+x)^2=2t이 되고 x=2t−1\displaystyle x=\sqrt{2t}-1인 실근을 갖는다. 그러므로 구하고자 하는 전체 영역의 넓이는 4(∫02t−1(12−12x2)dx+∫2t−1t/2tt−2x dx)\displaystyle 4\left(\int_0^{\sqrt{2t}-1}\left(\frac12-\frac12x^2\right)dx+\int_{\sqrt{2t}-1}^{t/2}\sqrt t\sqrt{t-2x}\,dx\right)이고, 이를 정리하면, 43(t−(t−2t+1)2)\displaystyle \frac43\left(t-(t-\sqrt{2t}+1)^2\right)이다.

두 영역의 그림을 그려보면 알 수 있듯이, 2t−1≤x≤t2<1\displaystyle \sqrt{2t}-1\le x\le\frac t2<1의 범위에서 tt−2x≤12−12x2\displaystyle \sqrt t\sqrt{t-2x}\le\frac12-\frac12x^2이므로, 1≤t<2\displaystyle 1\le t<2인 경우 t\displaystyle t가 크면 클수록 영역의 넓이가 커지고, 이때의 넓이는 t=2\displaystyle t=2일 때의 넓이인 43\displaystyle \frac43보다 작다. 따라서 t≥2\displaystyle t\ge2인 경우에 최대넓이 43\displaystyle \frac43로서 일정한 넓이를 가지므로, 주어진 영역의 최대가 되는 t\displaystyle t의 범위는 t≥2\displaystyle t\ge2인 모든 실수가 된다.

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