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자연계열 (일요일) 1번

문제

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[논제I-1]

반원과 원들의 접점
+4점 · ROB=PAB=θ\displaystyle \angle\mathrm{ROB}=\angle\mathrm{PAB}=\theta (논리적 설명 필요)

원의 중심과 현의 중점을 이은 선분은 현을 수직 이등분하므로, OMBP\displaystyle \overline{\mathrm{OM}} \perp \overline{\mathrm{BP}}이다.APB\displaystyle \angle \mathrm{APB}는 반원에 대한 원주각이므로 직각이다.APB=OMB\displaystyle \angle \mathrm{APB} = \angle \mathrm{OMB} 이므로 선분 AP\displaystyle {\mathrm{AP}}와 선분 OM\displaystyle \mathrm{OM}은 평행이다. 따라서 ROB=PAB=θ\displaystyle \angle \mathrm{ROB} = \angle \mathrm{PAB} = \theta이다.

+5점 · 접점 R\displaystyle \mathrm RQ\displaystyle \mathrm Q도 세 점 O\displaystyle \mathrm O, M\displaystyle \mathrm M, O2\displaystyle \mathrm O_2와 같은 직선 위에 있음. (논리적 설명 필요)

C2\displaystyle C_2와 중심이 O\displaystyle \mathrm O인 반원과의 접점을 R\displaystyle \mathrm R, 원 C2\displaystyle C_2와 선분 PM\displaystyle \mathrm{PM}이 지름인 반원의 접점을 Q\displaystyle \mathrm Q라 하자.Correction. 반원의 지름을 나타낸 선분 PM\displaystyle PMPB\displaystyle PB의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.R\displaystyle \mathrm{R}에서의 접선은 선분 O2R\displaystyle \mathrm{O}_{2} \mathrm{R}과 선분 OR\displaystyle \mathrm{OR}과 수직이다.따라서 접점 R\displaystyle \mathrm{R}은 두 점 O\displaystyle \mathrm{O}, O2\displaystyle \mathrm{O}_{2}를 지나는 직선 위에 있다.마찬가지로 접점 Q\displaystyle \mathrm{Q}는 두 점 M\displaystyle \mathrm{M}, O2\displaystyle \mathrm{O}_{2}를 지나는 직선 위에 있다.세 점 O\displaystyle \mathrm{O}, M\displaystyle \mathrm{M}, O2\displaystyle \mathrm{O}_{2}가 일직선 위에 있으므로 접점 R\displaystyle \mathrm{R}Q\displaystyle \mathrm{Q}도 세 점 O\displaystyle \mathrm{O}, M\displaystyle \mathrm{M}, O2\displaystyle \mathrm{O}_{2}와 같은 직선 위에 있다.

+6점 · r1(θ)=r2(θ)=12(cosθ+sinθ1)\displaystyle r_1(\theta)=r_2(\theta)=\frac12(\cos\theta+\sin\theta-1)

따라서 OR+2r2=OM+MQ=OM+BM\displaystyle {\overline{\mathrm{OR}}} + 2 r_{2} = {\overline{\mathrm{OM}} + \overline{\mathrm{MQ}}} = {\overline{\mathrm{OM}} + \overline{\mathrm{BM}}} 이며 마찬가지로 OS+2r1=ON+AN\displaystyle {\overline{\mathrm{OS}}} + 2 r_{1} = \overline{\mathrm{ON}} + \overline{\mathrm{AN}}을 얻는다.이때, AN=OM=cosθ,ON=BM=sinθ\displaystyle {\overline{\mathrm{AN}}} = {\overline{\mathrm{OM}}} = \cos \theta , {\overline{\mathrm{ON}} = {\overline{\mathrm{BM}}}} = \sin \theta이므로,r1(θ)=r2(θ)=12(cosθ+sinθ1)(0<θ<π2)\displaystyle r_{1} ( \theta ) = r_{2} ( \theta ) = \frac{{1}}{2} ( \cos \theta + \sin \theta - 1 ) \left( 0 < \theta < \frac{{\pi}}{2} \right)이다.

+5점 · O2M=BMr2\displaystyle \overline{\mathrm{O_2M}}=\overline{\mathrm{BM}}-r_2, BM=sinθ\displaystyle \overline{\mathrm{BM}}=\sin\theta (논리적 설명 필요)

[논제I-2]그림에서 원 C2\displaystyle C_{2}와 중심이 O\displaystyle \mathrm{O}인 반원과의 접점을 R\displaystyle \mathrm{R}이라 하면, O\displaystyle \mathrm{O},R\displaystyle \mathrm{R},O2\displaystyle \mathrm{O}_{2}는 일직선 위에 있고, O\displaystyle \mathrm{O},M\displaystyle \mathrm{M},O2\displaystyle \mathrm{O}_{2}가 일직선 위에 있으므로, M\displaystyle \mathrm{M},R\displaystyle \mathrm{R},O2\displaystyle \mathrm{O}_{2}도 일직선 위에 있다. 이를 이용하면 O2M=QMr2=BMr2\displaystyle \overline{\mathrm{O}_{2} \mathrm{M}} = \overline{\mathrm{QM}} - r_{2} = \overline{\mathrm{BM}} - r_{2} 이다.

+5점 · (θ)=O2M=12(sinθcosθ+1)\displaystyle \ell(\theta)=\overline{\mathrm{O_2M}}=\frac12(\sin\theta-\cos\theta+1)

BM=sinθ\displaystyle {\overline{\mathrm{BM}}} = \sin \theta와 [논제I-1]에서 구한 r2(θ)\displaystyle r_{2} ( \theta )를 대입해서 정리하면(θ)=O2M=12(sinθcosθ+1)\displaystyle \ell(\theta)=\overline{\mathrm{O_2M}}=\frac12(\sin\theta-\cos\theta+1)이다.

+5점 · π/6π/3(θ)dθ=12π/6π/3(sinθcosθ+1)dθ=12[cosθsinθ+θ]π/6π/3=π12\displaystyle \int_{\pi/6}^{\pi/3}\ell(\theta)\,d\theta=\frac12\int_{\pi/6}^{\pi/3}(\sin\theta-\cos\theta+1)\,d\theta=\frac12\Biggl[-\cos\theta-\sin\theta+\theta\Biggr]_{\pi/6}^{\pi/3}=\frac\pi{12}

따라서, π6π3(θ)dθ=12π6π3(sinθcosθ+1)dθ=12[cosθsinθ+θ]π6π3=π12\displaystyle \begin{aligned}\int_{\frac{{\pi}}{6}}^{\frac{{\pi}}{3}} {\ell ( \theta ) d \theta} &= \frac{{1}}{2} \int_{\frac{{\pi}}{6}}^{\frac{{\pi}}{3}} {( \sin \theta - \cos \theta + 1 ) d \theta} = \frac{{1}}{2} \Biggl[ - \cos \theta - \sin \theta + \theta \Biggr]_{\frac{{\pi}}{6}}^{\frac{{\pi}}{3}}\\&= \frac{{\pi}}{12}\end{aligned}이다.

+5점 · S(θ)=π(cosθ+sinθ1)(cosθsinθ)=2πr1(θ)(cosθsinθ)\displaystyle S^{\prime}(\theta)=\pi(\cos\theta+\sin\theta-1)(\cos\theta-\sin\theta)=2\pi r_1(\theta)(\cos\theta-\sin\theta)

[논제I-3][논제I-1]의 결과를 이용하면, r1(θ)=r2(θ)=12(cosθ+sinθ1)(0<θ<π2)\displaystyle r_{1} ( \theta ) = r_{2} ( \theta ) = \frac{{1}}{2} \left( \cos \theta + \sin \theta - 1 \right) \left( 0 < \theta < \frac{{\pi}}{2} \right)이고S(θ)=S1(θ)+S2(θ)=π2(cosθ+sinθ1)2\displaystyle S ( \theta ) = S_{1} ( \theta ) + S_{2} ( \theta ) = \frac{{\pi}}{2} ( \cos \theta + \sin \theta - 1 )^{2}이다.합성함수의 미분법을 적용하면,S(θ)=π(cosθ+sinθ1)(cosθsinθ)=2πr1(θ)(cosθsinθ)\displaystyle S^{\prime} ( \theta ) = \pi ( \cos \theta + \sin \theta - 1 ) ( \cos \theta - \sin \theta ) = 2 {\pi} r_{1} ( \theta ) ( \cos \theta - \sin \theta )이다.

+7점 · r1(θ)>0\displaystyle r_1(\theta)>0이고, cosθsinθ>0(0<θ<π4)\displaystyle \cos\theta-\sin\theta>0\left(0<\theta<\frac\pi4\right), cosθsinθ<0(π4<θ<π2)\displaystyle \cos\theta-\sin\theta<0\left(\frac\pi4<\theta<\frac\pi2\right)이므로 함수 S(θ)\displaystyle S(\theta)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같음. (논리적 설명 필요)

이때, r1(θ)>0\displaystyle r_1(\theta)>0이고, cosθsinθ>0(0<θ<π4)\displaystyle \cos\theta-\sin\theta>0\left(0<\theta<\frac\pi4\right), cosθsinθ<0(π4<θ<π2)\displaystyle \cos\theta-\sin\theta<0\left(\frac\pi4<\theta<\frac\pi2\right)이므로함수 S(θ)\displaystyle S ( \theta )의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

θ\displaystyle \theta0\displaystyle \cdotsπ4\displaystyle \frac\pi4\displaystyle \cdotsπ2\displaystyle \frac\pi2
S(θ)\displaystyle S^{\prime}(\theta)+0
S(θ)\displaystyle S(\theta)(21)22π\displaystyle \frac{(\sqrt2-1)^2}{2}\pi
두 원의 넓이 합의 그래프
+3점 · θ=π4\displaystyle \theta=\frac\pi4일 때 S(θ)\displaystyle S(\theta)가 최댓값 (논리적 설명 필요)

따라서 그래프의 개형은 오른쪽 그림과 같으며 θ=π4\displaystyle \theta = \frac{\pi}{4}일 때 S(θ)\displaystyle S ( \theta )가 최댓값을 갖는다.

[논제1-4]

반원과 원들의 접점
+4점 · Q=((cosθ+sinθ)cosθ,(cosθ+sinθ)sinθ)\displaystyle \mathrm Q=((\cos\theta+\sin\theta)\cos\theta,(\cos\theta+\sin\theta)\sin\theta) (논리적 설명 필요)

O\displaystyle \mathrm{O}의 좌표를 (0,0)\displaystyle ( 0 , 0 )이라 하면,C2\displaystyle C_{2}와 선분 PB\displaystyle \mathrm{PB}을 지름으로 하는 반원과의 접점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표는Q=((cosθ+sinθ)cosθ,(cosθ+sinθ)sinθ)\displaystyle {\mathrm{Q}} = ( ( \cos \theta + \sin \theta ) \cos \theta , ( \cos \theta + \sin \theta ) \sin \theta )이다.

+8점 · (x(θ))2+(y(θ))2=2(X2+Y2)=2(cos2θ+sin2θ)2=2\displaystyle (x^{\prime}(\theta))^2+(y^{\prime}(\theta))^2=2(X^2+Y^2)=2(\cos^2\theta+\sin^2\theta)^2=2

Q\displaystyle \mathrm{Q}가 그리는 곡선의 길이를 구하기 위해 Q\displaystyle \mathrm{Q}x\displaystyle x좌표를 x(θ)\displaystyle x ( \theta ), y\displaystyle y좌표를 y(θ)\displaystyle y ( \theta )라 하면,x(θ)=cos2θsin2θ2sinθcosθ\displaystyle x^{\prime} ( \theta ) = \cos^{2} \theta - \sin^{2} \theta - 2 \sin \theta \cos \theta,y(θ)=cos2θsin2θ+2sinθcosθ\displaystyle y^{\prime} ( \theta ) = \cos^{2} \theta - \sin^{2} \theta + 2 \sin \theta \cos \theta이다.X=cos2θsin2θ,Y=2sinθcosθ\displaystyle X = \cos^{2} \theta - \sin^{2} \theta , Y = 2 \sin \theta \cos \theta로 치환하여 계산하면(x(θ))2+(y(θ))2=2(X2+Y2)=2(cos2θ+sin2θ)2=2\displaystyle ( x^{\prime} ( \theta ) )^{2} + ( y^{\prime} ( \theta ) )^{2} = 2 ( X^{2} + Y^{2} ) = 2 ( \cos^{2} \theta + \sin^{2} \theta )^{2} = 2이다.

+3점 · π/6π/3(x(θ))2+(y(θ))2dθ=π/6π/32dθ=[2θ]π/6π/3=26π\displaystyle \int_{\pi/6}^{\pi/3}\sqrt{(x^{\prime}(\theta))^2+(y^{\prime}(\theta))^2}\,d\theta=\int_{\pi/6}^{\pi/3}\sqrt2\,d\theta=\Biggl[\sqrt2\theta\Biggr]_{\pi/6}^{\pi/3}=\frac{\sqrt2}{6}\pi

따라서, 곡선의 길이는 π6π3(x(θ))2+(y(θ))2dθ=π6π32dθ=[2θ]π6π3=26π\displaystyle \begin{aligned}\int_{\frac{{\pi}}{6}}^{\frac{{\pi}}{3}} {\sqrt{( x^{\prime} ( \theta ) )^{2} + ( y^{\prime} ( \theta ) )^{2}} d \theta} &= \int_{\frac{{\pi}}{6}}^{\frac{{\pi}}{3}} {\sqrt{2} d \theta} = \Biggl[ \sqrt{2} \theta \Biggr]_{\frac{{\pi}}{6}}^{\frac{{\pi}}{3}}\\&= \frac{{\sqrt{2}}}{6} \pi\end{aligned}.

※ 아이디어는 맞지만 계산이 틀린 경우 적절하게 부분점수 부여

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