수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의학계 1번

문제

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해설강의 준비중
+3점 · DQ\displaystyle \overline{DQ}의 길이를 계산하여 함수 f(t)\displaystyle f(t)를 찾을 수 있다.

[논제 Ⅰ-1](1) 두 원이 접하는 점을 E\displaystyle \mathrm{E}라 하면, 원점 O\displaystyle \mathrm{O}, 점 C\displaystyle \mathrm{C}와 점 E\displaystyle \mathrm{E}가 한 직선 위에 있다.CE=t\displaystyle \overline{\mathrm{CE}} = t이므로 OC=1t\displaystyle \overline{\mathrm{OC}} = 1 - t이다. 따라서 AC2=OC2OA2=(1t)2t2=12t\displaystyle {\overline{\mathrm{AC}}}^{2} = {\overline{\mathrm{OC}}}^{2} - {\overline{\mathrm{OA}}}^{2} = ( 1 - t )^{2} - t^{2} = 1 - 2 t이다.DQ=AQACCD\displaystyle \overline{DQ}=\overline{AQ}-\overline{AC}-\overline{CD}이므로, f(t)=1t212tt\displaystyle f(t)=\sqrt{1-t^2}-\sqrt{1-2t}-t이다.

+7점 · t=0\displaystyle t=0에서의 f(t)t3\displaystyle \frac{f(t)}{t^3}의 우극한을 계산할 수 있다.

limt0+f(t)t3=limt0+1t2(12t+t)t3=limt0+2(t1+12t)t2(1t2+12t+t)=limt0+2(1t2+12t+t)(t112t)=12\displaystyle \begin{aligned}\lim_{t\to0+}\frac{f(t)}{t^3}&=\lim_{t\to0+}\frac{\sqrt{1-t^2}-(\sqrt{1-2t}+t)}{t^3}=\lim_{t\to0+}\frac{-2(t-1+\sqrt{1-2t})}{t^2(\sqrt{1-t^2}+\sqrt{1-2t}+t)}\\&=\lim_{t\to0+}\frac{-2}{(\sqrt{1-t^2}+\sqrt{1-2t}+t)(t-1-\sqrt{1-2t})}=\frac12\end{aligned}

+3점 · 최대가 되려면 이웃하는 원들끼리 접해야 함을 관찰한다.

(2) t\displaystyle t가 최대가 되려면 이웃하는 원들끼리 접해야 한다. 따라서 N\displaystyle N개의 원들의 지름의 합은 2Nt\displaystyle 2Nt가 되는데, 이는 PQ2DQ\displaystyle \overline{PQ}-2\overline{DQ}와 같아야 한다. 즉, PQ2DQ=2Nt\displaystyle \overline{PQ}-2\overline{DQ}=2Nt를 만족한다. PQ=21t2\displaystyle \overline{PQ}=2\sqrt{1-t^2}이고, [논제 Ⅰ-1](1)번의 풀이에서 DQ=1t212tt\displaystyle \overline{DQ}=\sqrt{1-t^2}-\sqrt{1-2t}-t이므로, 12t+t=Nt\displaystyle \sqrt{1-2t}+t=Nt가 된다.

+7점 · t\displaystyle tN\displaystyle N의 관계를 방정식으로 만들어서 t\displaystyle tN\displaystyle N에 관해서 구할 수 있다.

12t=(N1)t\displaystyle \sqrt{1-2t}=(N-1)t에서 양변을 제곱하여 정리하면, (N1)2t2+2t1=0\displaystyle (N-1)^2t^2+2t-1=0이고 t>0\displaystyle t>0이므로 t=1+1+(N1)2(N1)2\displaystyle t=\frac{-1+\sqrt{1+(N-1)^2}}{(N-1)^2}이다.

+8점 · 선분 PkQk\displaystyle P_kQ_k에 중심이 있는 원들의 최대 개수 ak\displaystyle a_k를 설명할 수 있다.

[논제 Ⅰ-2](1) (0,kn)\displaystyle \left( 0 , \frac{k}{n} \right)를 점 Ak\displaystyle {\mathrm{A}}_{k}라 하자. 선분 PkQk\displaystyle {\mathrm{P}}_{k} {\mathrm{Q}}_{k}에 중심이 있고 반지름이 1n\displaystyle \frac{1}{n}인 원들 중에서 가장 오른쪽에 있는 원을 S2\displaystyle S_{2}라 하고, 원 S2\displaystyle S_{2}가 원 S\displaystyle S와 접한다고 하자. 원 S2\displaystyle S_{2}의 중심을 C\displaystyle \mathrm{C}라 하고, 선분 CQk\displaystyle {\mathrm{CQ}}_{k}와 만나는 점을 D\displaystyle \mathrm{D}라 하면,AkC2=OC2OAk2=(11n)2(kn)2=(n1)2k2n2\displaystyle \overline{A_kC}^{\,2}=\overline{OC}^{\,2}-\overline{OA_k}^{\,2}=\left(1-\frac1n\right)^2-\left(\frac kn\right)^2=\frac{(n-1)^2-k^2}{n^2}이므로, AkC=(n1)2k2n\displaystyle \overline{{\mathrm{A}}_{k} {\mathrm{C}}} = \frac{{\sqrt{( n - 1 )^{2} - k^{2}}}}{n}이다. 따라서 선분 PkQk\displaystyle {\mathrm{P}}_{k} {\mathrm{Q}}_{k}에 중심이 있는 원들이 움직일 수 있는 선분의 길이는 2AkD=2(AkC+1n)\displaystyle 2 \overline{{\mathrm{A}}_{k} {\mathrm{D}}} = 2 \left( \overline{{\mathrm{A}}_{k} {\mathrm{C}}} + \frac{1}{n} \right)이므로, 2n\displaystyle \frac{2}{n}로 나누면, (n1)2k2+1\displaystyle \sqrt{( n - 1 )^{2} - k^{2}} + 1이 되기 때문에, ak\displaystyle a_{k}(n1)2k2+1\displaystyle \sqrt{( n - 1 )^{2} - k^{2}} + 1보다 작거나 같고, (n1)2k2\displaystyle \sqrt{( n - 1 )^{2} - k^{2}}보다 큰 자연수이다.

+4점 · ak\displaystyle a_k의 크기를 이용하여 an4=8\displaystyle a_{n-4}=8이 되는 n\displaystyle n의 최댓값을 구할 수 있다.

k=n4\displaystyle k = n - 4이면, (n1)2(n4)2=6n15\displaystyle \sqrt{( n - 1 )^{2} - ( n - 4 )^{2}} = \sqrt{6 n - 15}이므로, 6n15\displaystyle \sqrt{6 n - 15}8\displaystyle 8보다 작은 자연수 n\displaystyle n을 구하면 된다. g(x)=6x15\displaystyle g ( x ) = \sqrt{6 x - 15}라 하면, g(x)\displaystyle g ( x )는 증가함수이고, g(796)=8\displaystyle g \left( \frac{79}{6} \right) = 8이므로, n<796\displaystyle n < \frac{79}{6}이다. n\displaystyle n은 자연수이기 때문에, 가장 큰 자연수 n\displaystyle n13\displaystyle 13이 된다.

+2점 · 이웃하는 모든 원들이 한 점에서 만나는 경우, ak\displaystyle a_k의 값을 계산할 수 있다.

(2) 이웃하는 모든 원들이 한 점에서 만나면, [논제 Ⅰ-2] (1)에서 얻은 (n1)2k2+1\displaystyle \sqrt{( n - 1 )^{2} - k^{2}} + 1이 자연수이다.

+6점 · n=11\displaystyle n=11인 경우, ak\displaystyle a_k가 자연수가 되는 k\displaystyle k를 구할 수 있다.

Comment. ak\displaystyle a_k는 원의 개수이므로 항상 자연수이다. 이 항목에서는 100k2+1\displaystyle \sqrt{100-k^2}+1이 자연수가 되는 k\displaystyle k를 구한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

즉, n=11\displaystyle n = 11이면, 102k2+1\displaystyle \sqrt{10^{2} - k^{2}} + 1가 자연수가 되는 정수 k\displaystyle k0\displaystyle 0, 6\displaystyle 6 또는 8\displaystyle 8에서 자연수가 되고, 각각 그 때의 원들의 개수는 11\displaystyle 11개, 9\displaystyle 9개, 7\displaystyle 7개가 된다.

+4점 · 선택한 원을 중심이 y\displaystyle y축에 있도록 평행이동하여 A(x)\displaystyle A(x)를 구할 수 있다.

(3) 모든 원의 크기가 같기 때문에 선택한 원을 평행이동하여 x2+(ynmn)2=1n2\displaystyle x^2+\left(y-\frac{n-m}{n}\right)^2=\frac1{n^2}라 할 수 있다. (x,0)\displaystyle (x,0)으로부터 y\displaystyle y축에 평행한 직선을 그렸을 때, y\displaystyle y좌표가 더 큰 점까지의 거리는 nmn+1n2x2\displaystyle \frac{n-m}{n}+\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}이므로, A(x)\displaystyle A(x)(nmn+1n2x2)2\displaystyle \left(\frac{n-m}{n}+\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\right)^2가 된다. 닫힌 구간 [p,p+3q4]\displaystyle \left[p,\frac{p+3q}{4}\right]를 위와 같이 평행이동하면 x\displaystyle x의 범위는 [1n,12n]\displaystyle \left[-\frac1n,\frac1{2n}\right]가 된다. 따라서 입체도형의 부피 Vn\displaystyle V_n

+8점 · A(x)\displaystyle A(x)를 이용하여 Vn\displaystyle V_n을 정확히 계산할 수 있다.

Vn=1n12n(nmn+1n2x2)2dx=1n12n((nm)2+1n2x2+2(nm)n1n2x2)dx=12(nm)2+98n3+2(nm)n1n12n1n2x2dx\displaystyle \begin{aligned}V_n&=\int_{-\frac1n}^{\frac1{2n}}\left(\frac{n-m}{n}+\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\right)^2\,dx=\int_{-\frac1n}^{\frac1{2n}}\left(\frac{(n-m)^2+1}{n^2}-x^2+\frac{2(n-m)}n\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\right)dx\\&=\frac{12(n-m)^2+9}{8n^3}+\frac{2(n-m)}n\int_{-\frac1n}^{\frac1{2n}}\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\,dx\end{aligned}이다.여기에서 적분값 1n12n1n2x2dx\displaystyle \int_{-\frac1n}^{\frac1{2n}}\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\,dx은 반원 y=1n2x2\displaystyle y=\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}x\displaystyle x축, x=12n\displaystyle x=\frac1{2n}로 둘러싸인 영역의 넓이와 같다. 이는 부채꼴과 직각삼각형의 넓이의 합으로 계산하면 된다.중심각이 2π3\displaystyle \frac{2\pi}3인 부채꼴의 넓이는 12×1n2×2π3=π3n2\displaystyle \frac12\times\frac1{n^2}\times\frac{2\pi}3=\frac\pi{3n^2}이고, 직각삼각형의 넓이는 12×12n×1n214n2=38n2\displaystyle \frac12\times\frac1{2n}\times\sqrt{\frac1{n^2}-\frac1{4n^2}}=\frac{\sqrt3}{8n^2}이므로 1n12n1n2x2dx=π3n2+38n2=8π+3324n2\displaystyle \int_{-\frac1n}^{\frac1{2n}}\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\,dx=\frac\pi{3n^2}+\frac{\sqrt3}{8n^2}=\frac{8\pi+3\sqrt3}{24n^2}이다.따라서 Vn=12(nm)2+98n3+2(8π+33)(nm)24n3=32n+αn2+βn3\displaystyle V_n=\frac{12(n-m)^2+9}{8n^3}+\frac{2(8\pi+3\sqrt3)(n-m)}{24n^3}=\frac3{2n}+\frac\alpha{n^2}+\frac\beta{n^3}로 놓으면 상수 α\displaystyle \alphaβ\displaystyle \betaα=36m+(8π+33)12\displaystyle \alpha=\frac{-36m+(8\pi+3\sqrt3)}{12}이고, β=36m22m(8π+33)+2724\displaystyle \beta=\frac{36m^2-2m(8\pi+3\sqrt3)+27}{24}이다.

+8점 · nanmVn\displaystyle \sqrt n a_{n-m}V_n이 만족하는 부등식을 이용하여 수열 {nanmVn}\displaystyle \{\sqrt n a_{n-m}V_n\}이 수렴함을 보이고, 수렴값을 계산할 수 있다.

[논제 Ⅰ-2](1)번에서 (m1)(2nm1)<anm(m1)(2nm1)+1\displaystyle \sqrt{(m-1)(2n-m-1)}<a_{n-m}\le\sqrt{(m-1)(2n-m-1)}+1이므로,n(m1)(2nm1)Vn<nanmVnn((m1)(2nm1)+1)Vn\displaystyle \sqrt n\sqrt{(m-1)(2n-m-1)}V_n<\sqrt n a_{n-m}V_n\le\sqrt n(\sqrt{(m-1)(2n-m-1)}+1)V_n이다.bn=n(m1)(2nm1)Vn\displaystyle b_n=\sqrt n\sqrt{(m-1)(2n-m-1)}V_n이고, cn=n(m1)(2nm1)Vn+nVn\displaystyle c_n=\sqrt n\sqrt{(m-1)(2n-m-1)}V_n+\sqrt nV_n이라 하면,bn<nanmVncn\displaystyle b_n<\sqrt n a_{n-m}V_n\le c_n …… ①bn=m1n2nm1(32n+αn2+βn3)=m12m+1n(32+αn+βn2)\displaystyle b_n=\sqrt{m-1}\sqrt n\sqrt{2n-m-1}\left(\frac3{2n}+\frac\alpha{n^2}+\frac\beta{n^3}\right)=\sqrt{m-1}\sqrt{2-\frac{m+1}n}\left(\frac32+\frac\alpha n+\frac\beta{n^2}\right)가 되어,limnbn=322(m1)\displaystyle \lim_{n\to\infty}b_n=\frac32\sqrt{2(m-1)} …… ②cn=bn+nVn\displaystyle c_n=b_n+\sqrt nV_n이 되는데, nVn=n(32n+αn2+βn3)\displaystyle \sqrt nV_n=\sqrt n\left(\frac3{2n}+\frac\alpha{n^2}+\frac\beta{n^3}\right)이므로, limnnVn=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sqrt nV_n=0이다.따라서 limncn=322(m1)\displaystyle \lim_{n\to\infty}c_n=\frac32\sqrt{2(m-1)} …… ③제시문 [다]와 ①, ②, ③으로부터 수열 {nanmVn}\displaystyle \left\{\sqrt n a_{n-m}V_n\right\}은 수렴하고, 극한값은 322(m1)\displaystyle \frac32\sqrt{2(m-1)}이다.

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