수리논술, 이게 다다.

의학계 1-(1)~(2)번

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문제

[가] 구간 α≤x≤β\displaystyle \alpha \le x \le \beta에서 이차함수 f(x)=a(x−p)2+q\displaystyle f ( x ) = a ( x - p )^{2} + q (a>0)\displaystyle ( a > 0 )의 최댓값과 최솟값은 x=p\displaystyle x = p의 위치에 따라 다음과 같이 구할 수 있다.(i) α≤p≤β\displaystyle \alpha \le p \le \beta인 경우, x=α\displaystyle x = \alpha와 x=β\displaystyle x = \beta에서의 함숫값 f(α)\displaystyle f ( \alpha )와 f(β)\displaystyle f ( \beta ) 중 큰 값이 최댓값이고, x=p\displaystyle x = p에서 최솟값 f(p)\displaystyle f ( p )를 가진다.(ii) p<α\displaystyle p < \alpha 또는 p>β\displaystyle p > \beta인 경우, x=α\displaystyle x = \alpha와 x=β\displaystyle x = \beta에서의 함숫값 f(α)\displaystyle f ( \alpha )와 f(β)\displaystyle f ( \beta ) 중 큰 값이 최댓값이고, 작은 값이 최솟값이다.

[나] 원과 직선의 위치 관계는 서로 다른 두 점에서 만나거나, 접하거나, 만나지 않는 세 가지 경우가 있다. 이때 원의 중심에서 직선까지의 거리와 반지름의 길이를 비교하여 위치 관계를 판단할 수 있다.

[다] 미분가능한 함수 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )에서 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime} ( a ) = 0이고, x=a\displaystyle x = a의 좌우에서 f′(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )의 부호가 양에서 음으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f ( x )는 x=a\displaystyle x = a에서 극대이고, 극댓값 f(a)\displaystyle f ( a )를 가진다. f′(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )의 부호가 음에서 양으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f ( x )는 x=a\displaystyle x = a에서 극소이고, 극솟값 f(a)\displaystyle f ( a )를 가진다.

[라] 함수 f(x)\displaystyle f ( x )가 열린 구간 (a,b)\displaystyle ( a , b )에서 미분가능하고 이 구간에 속하는 임의의 x\displaystyle x에 대하여(1) f′(x)>0\displaystyle f^{\prime} ( x ) > 0이면 f(x)\displaystyle f ( x )는 그 구간에서 증가한다.(2) f′(x)<0\displaystyle f^{\prime} ( x ) < 0이면 f(x)\displaystyle f ( x )는 그 구간에서 감소한다.

[마] 좌표평면 위에서 x\displaystyle x축의 양의 부분을 시초선으로하고, 일반각의 크기 θ\displaystyle \theta가 나타내는 동경과 원점 O\displaystyle \mathrm{O}를 중심으로 하고 반지름이 r\displaystyle r인 원이 만나는 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표를 (x,y)\displaystyle ( x , y )라고 하면 yr\displaystyle \frac{y}{r}, xr\displaystyle \frac{x}{r}, yx\displaystyle \frac{y}{x} (x≠0)\displaystyle ( x \ne 0 )의 값은 반지름의 길이 r\displaystyle r에 관계없이 θ\displaystyle \theta에 따라 각각 하나씩 결정된다. 즉,θ→yr\displaystyle \theta \to \frac{y}{r}, θ→xr\displaystyle \theta \to \frac{x}{r}, θ→yx\displaystyle \theta \to \frac{y}{x} (x≠0)\displaystyle ( x \ne 0 )의 대응 관계는 각각 θ\displaystyle \theta에 대한 함수이다. 이 함수를 각각 θ\displaystyle \theta에 대한 사인함수, 코사인함수, 탄젠트함수라고 하며, 다음과 같이 나타낸다.sin⁡(θ)=yr\displaystyle \sin ( \theta ) = \frac{y}{r}, cos⁡(θ)=xr\displaystyle \cos ( \theta ) = \frac{x}{r}, tan⁡(θ)=yx\displaystyle \tan ( \theta ) = \frac{y}{x} (x≠0)\displaystyle ( x \ne 0 )한편 sin⁡(θ)\displaystyle \sin ( \theta ), cos⁡(θ)\displaystyle \cos ( \theta ), tan⁡(θ)\displaystyle \tan ( \theta )의 역수로 정의한 함수를 차례로 코시컨트함수, 시컨트함수, 코탄젠트함수라고 하며, 다음과 같이 나타낸다.csc⁡(θ)=ry(y≠0)\displaystyle \csc ( \theta ) = \frac{r}{y}( y \ne 0 ), sec⁡(θ)=rx(x≠0)\displaystyle \sec ( \theta ) = \frac{r}{x}( x \ne 0 ), cot⁡(θ)=xy(y≠0)\displaystyle \cot ( \theta ) = \frac{x}{y}( y \ne 0 )

그림 1: 두 정삼각형, 그림 2: 정삼각형과 원

[논제 Ⅰ] 제시문 [가], [나], [다], [라], [마]를 읽고 다음 질문에 답하시오.

[논제 Ⅰ-1] 원점 O\displaystyle \mathrm{O}를 무게중심으로 하는 두 개의 정삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}와 정삼각형 DEF\displaystyle \mathrm{DEF}가 [그림 1]에서 처럼 변 BC\displaystyle \mathrm{BC}와 변 EF\displaystyle \mathrm{EF}가 평행하면서 꼭짓점 A\displaystyle \mathrm{A}와 꼭짓점 D\displaystyle \mathrm{D}가 원점 O\displaystyle \mathrm{O}를 중심으로 반대방향에 놓여있다. 정삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 한 변의 길이는 1\displaystyle 1이고 정삼각형 DEF\displaystyle \mathrm{DEF}의 한 변의 길이는 x\displaystyle x이다. 한 정삼각형이 다른 정삼각형에 완전히 포함되지 않도록 하는 x\displaystyle x의 범위를 구하고, 그 근거를 논술하시오. (10점)

[논제 Ⅰ-2] 원점 O\displaystyle \mathrm{O}를 무게중심으로 하는 두 개의 정삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}와 정삼각형 DEF\displaystyle \mathrm{DEF}가 [그림 1]에서처럼 변 BC\displaystyle \mathrm{BC}와 변 EF\displaystyle \mathrm{EF}가 평행하면서 꼭짓점 A\displaystyle \mathrm{A}와 꼭짓점 D\displaystyle \mathrm{D}가 원점 O\displaystyle \mathrm{O}를 중심으로 반대방향에 놓여있다. 정삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 한 변의 길이는 1\displaystyle 1이고 정삼각형 DEF\displaystyle \mathrm{DEF}의 한 변의 길이는 x\displaystyle x이다. x>0\displaystyle x > 0인 모든 x\displaystyle x에 대하여 두 정삼각형의 내부 중에서 하나에만 포함되는 영역(색칠된 영역)의 넓이를 T(x)\displaystyle T ( x )라 할 때, T(x)\displaystyle T ( x )를 x\displaystyle x에 관한 함수로 표현하고 T(x)\displaystyle T ( x )의 최솟값을 찾으시오. 그리고 그 근거를 논술하시오. (20점)

해설강의 준비중

[논제 Ⅰ-1]

겹친 두 정삼각형과 작은 삼각형의 변의 길이
+3점 · 삼각형의 변의 길이를 각각 y\displaystyle y와 x−2y\displaystyle x-2y로 표현한다.

색칠된 영역은 6개의 정삼각형으로 이루어져 있는데, 대칭성에 의해서 삼각형 ABC의 내부에 있는 3개의 삼각형이 합동을 이루고, 삼각형 DEF의 내부에 있는 3개의 삼각형이 합동을 이룬다. 이때 삼각형 DEF의 내부에 있는 색칠된 정삼각형의 한 변의 길이를 y\displaystyle y라 하면, 오른쪽 그림에서처럼 삼각형 ABC의 내부에 있는 색칠된 삼각형의 한 변의 길이는 x−2y\displaystyle x-2y가 된다.

+3점 · y=13(2x−1)\displaystyle y=\frac13(2x-1)임을 파악한다.

선분 OA와 선분 EF의 교점을 H라 하면, 선분 OA의 길이에서 OA‾=3223=AH‾+OH‾=(x−2y)32+x3213\displaystyle \overline{OA}=\frac{\sqrt3}2\frac23=\overline{AH}+\overline{OH}=(x-2y)\frac{\sqrt3}2+x\frac{\sqrt3}2\frac13을 알 수 있다. 따라서 y=13(2x−1)\displaystyle y=\frac13(2x-1)임을 알 수 있다.

+3점 · 두 변의 길이가 양수임을 이용하여 13(2x−1)>0, x−23(2x−1)>0\displaystyle \frac13(2x-1)>0,\ x-\frac23(2x-1)>0을 알아낸다.

한 정삼각형이 다른 정삼각형에 포함되지 않기 위해서는 y>0, x−2y>0\displaystyle y>0,\ x-2y>0이어야 하므로, x\displaystyle x는 두 부등식 13(2x−1)>0, x−23(2x−1)>0\displaystyle \frac13(2x-1)>0,\ x-\frac23(2x-1)>0을 만족하여야 한다.

+1점 · x\displaystyle x의 범위 12<x<2\displaystyle \frac12<x<2를 찾는다.

따라서 12<x<2\displaystyle \frac12<x<2임을 알 수 있다.

+5점 · 0<x≤12\displaystyle 0<x\le\frac12일 때, T(x)=34−34x2\displaystyle T(x)=\frac{\sqrt3}4-\frac{\sqrt3}4x^2임을 보인다.

[논제 Ⅰ-2]0<x≤12\displaystyle 0<x\le\frac12일 때는 삼각형 DEF가 삼각형 ABC에 포함되므로, T(x)=34−34x2\displaystyle T(x)=\frac{\sqrt3}4-\frac{\sqrt3}4x^2이 된다.

+5점 · 12<x<2\displaystyle \frac12<x<2일 때, T(x)=312(5x2−8x+5)\displaystyle T(x)=\frac{\sqrt3}{12}(5x^2-8x+5)임을 보인다.

12<x<2\displaystyle \frac12<x<2일 때는, 한 정삼각형이 다른 정삼각형에 완전히 포함이 되지 않아서, 위의 그림처럼 색칠된 영역의 넓이를 찾으면 된다. 따라서 이 경우에는 T(x)=34(x−2y)2×3+34y2×3=312(5x2−8x+5)\displaystyle T(x)=\frac{\sqrt3}4(x-2y)^2\times3+\frac{\sqrt3}4y^2\times3=\frac{\sqrt3}{12}(5x^2-8x+5)이다.

+5점 · x≥2\displaystyle x\ge2일 때, T(x)=34x2−34\displaystyle T(x)=\frac{\sqrt3}4x^2-\frac{\sqrt3}4임을 보인다.

또한 x≥2\displaystyle x\ge2인 경우는 삼각형 DEF가 삼각형 ABC를 포함하므로 T(x)=34x2−34\displaystyle T(x)=\frac{\sqrt3}4x^2-\frac{\sqrt3}4이 된다.

+5점 · T(x)\displaystyle T(x)의 최솟값이 3320\displaystyle \frac{3\sqrt3}{20}임을 보인다.

따라서 구하고자 하는 함수 T(x)\displaystyle T(x)는T(x)={34(1−x2),0<x≤12312(5x2−8x+5),12<x<234(x2−1)x≥2\displaystyle T(x)=\begin{cases}\frac{\sqrt3}4(1-x^2),&0<x\le\frac12\\\frac{\sqrt3}{12}(5x^2-8x+5),&\frac12<x<2\\\frac{\sqrt3}4(x^2-1)&x\ge2\end{cases}임을 알 수 있다. 구간 0<x≤12\displaystyle 0<x\le\frac12에서는 T′(x)<0\displaystyle T^{\prime}(x)<0이어서 T(x)\displaystyle T(x)는 감소함수이므로 x=12\displaystyle x=\frac12에서 최솟값 T(12)=3316\displaystyle T\left(\frac12\right)=\frac{3\sqrt3}{16}를 갖고, 구간 12<x<2\displaystyle \frac12<x<2에서는 포물선의 꼭지점의 x\displaystyle x좌표인 x=45\displaystyle x=\frac45에서 최솟값 3320\displaystyle \frac{3\sqrt3}{20}을 갖고, 구간 x≥2\displaystyle x\ge2에서는 T′(x)>0\displaystyle T^{\prime}(x)>0이어서 T(x)\displaystyle T(x)가 증가함수이므로 x=2\displaystyle x=2에서 최솟값 T(2)=334\displaystyle T(2)=\frac{3\sqrt3}4를 갖는다. 따라서 x>0\displaystyle x>0인 모든 x\displaystyle x에 대해서 함수 T(x)\displaystyle T(x)의 최솟값은 3320\displaystyle \frac{3\sqrt3}{20}이 된다.

※ 별해 (총 10점 = 4점 + 4점 + 2점)배점
삼각형 DEF가 삼각형 ABC에 내접하는 경우 x=12\displaystyle x=\frac12임을 보인다.4점
삼각형 DEF가 삼각형 ABC에 외접하는 경우 x=2\displaystyle x=2임을 보인다.4점
x\displaystyle x의 범위 12<x<2\displaystyle \frac12<x<2를 찾는다.2점

Comment. 이 공개 자료에는 별해의 채점기준만 있고 별해 예시답안은 실려 있지 않다. 해당 별해는 Mathesis 예시답안에서 다룬다.

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