수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

【제시문 1】

제1 사분면에 두 점 P\displaystyle PQ\displaystyle Q가 있다. x\displaystyle x축과 y\displaystyle y축을 적어도 한 번 이상 만나며 P\displaystyle PQ\displaystyle Q를 연결하는 가장 짧은 경로는 아래 그림과 같은 세 선분으로 구성된다. P\displaystyle Py\displaystyle y축 대칭점을 P\displaystyle P^{\prime}, P\displaystyle P^{\prime}x\displaystyle x축 대칭점을 P\displaystyle P^{\prime\prime}라고 할 때, P\displaystyle PQ\displaystyle Q를 잇는 가장 짧은 경로의 길이는 선분 PQ\displaystyle P^{\prime\prime}Q의 길이와 같다.

좌표축의 S, R을 거쳐 P와 Q를 연결하는 최단 경로

【제시문 2】

한 변의 길이가 1인 정사각형이 있다. 꼭짓점 O\displaystyle O에서 사각형의 내부 방향으로 반직선 l\displaystyle l을 그었다. l\displaystyle l은 정사각형의 변과 만나면 레이저 광선처럼 입사각과 반사각의 크기가 같도록 반사하며 계속 진행한다. 이 과정을 반복하여 l\displaystyle l을 계속 진행하게 함으로써 정사각형 속에 놓인 꺾은선 도형을 얻을 수 있다. 이때, l\displaystyle l이 정사각형의 한 꼭짓점에 도달하면 더 이상 진행하지 않고 정지한다.

정사각형 OABC 안에서 반사하는 반직선 l

꺾은선 위의 점 P\displaystyle P에 대하여, O\displaystyle O에서 P\displaystyle P까지 이르는 꺾은선의 길이는 대칭이동을 이용하여 구할 수 있다. 출발점 O\displaystyle O에서 l\displaystyle l을 따라 진행하다 정사각형의 변을 만나면 그 변을 대칭축으로 정사각형(지나온 부분을 제외한 꺾은선 포함)을 대칭 이동한다.(아래 그림 (a)⇒(b)) 대칭이동한 정사각형에서 꺾은선을 따라 계속 진행하다 다시 변을 만나면 그 변에 대한 사각형의 대칭이동을 같은 방법으로 반복한다.(아래 그림 (b)⇒(c)) 이러한 과정을 반복하여 정사각형 속의 꺾은선을 평면위의 선분으로 바꾼다. 처음 꺾은선의 길이는 선분의 길이와 같다.(아래 그림(c)의 선분OP\displaystyle OP^{\prime\prime})

정사각형을 대칭이동해 꺾은선을 선분으로 펼치는 과정 (a), (b), (c)

【물음 1】【제시문 1】에서 점 R\displaystyle R과 점 S\displaystyle SP\displaystyle PQ\displaystyle Q를 연결하는 꺾은선의 길이가 가장 짧을 때의 x\displaystyle x축과 y\displaystyle y축 위의 점이다. 점 P\displaystyle P와 점 Q\displaystyle Q의 좌표가 각각 (1,3)\displaystyle (1,3), (2,6)\displaystyle (2,6)일 때, 직선 RQ\displaystyle RQ의 기울기를 구하고 풀이 과정을 설명하시오. (30점)

【물음 2】【제시문 2】에서 반직선 l\displaystyle l의 출발 기울기(tanθ\displaystyle \tan\theta)가 23\displaystyle \frac{2}{3}일 때 얻어진 꺾은선 도형의 길이를 【제시문 2】에 근거하여 구하고 풀이 과정을 설명하시오. (30점)

【물음 3】【제시문 2】의 정사각형의 꼭짓점 O\displaystyle O, A\displaystyle A, B\displaystyle B, C\displaystyle C의 좌표가 각각 (0,0)\displaystyle (0,0), (1,0)\displaystyle (1,0), (1,1)\displaystyle (1,1), (0,1)\displaystyle (0,1)이라고 하자. 반직선 l\displaystyle l의 출발 기울기가 qp\displaystyle \frac{q}{p}(p\displaystyle p, q\displaystyle q는 서로 소인 자연수)일 때 얻어진 꺾은선 도형의 길이를 구하는 방법을 설명하시오. (40점)

해설강의 준비중
+30점

【물음 1】P(1,3)\displaystyle P(1,3)y\displaystyle y축 대칭점 P\displaystyle P^{\prime}의 좌표는 (1,3)\displaystyle (-1,3),P(1,3)\displaystyle P^{\prime}(1,3)x\displaystyle x축 대칭점 P\displaystyle P^{\prime\prime}의 좌표는 (1,3)\displaystyle (-1,-3)이다.Correction. 두 번째 줄의 P(1,3)\displaystyle P^{\prime}(1,3)P(1,3)\displaystyle P^{\prime}(-1,3)의 오기다. 그러나 원문 표기는 그대로 실었다.직선 RQ\displaystyle RQ의 기울기는 직선 PQ\displaystyle P^{\prime\prime}Q의 기울기와 같고 Q\displaystyle Q의 좌표가 (2,6)\displaystyle (2,6)이므로,직선 RQ\displaystyle RQ의 기울기는 3+61+2=3\displaystyle \frac{3+6}{1+2}=3이다.

+30점

【물음 2】 꺾은선의 모양은 아래 그림 (a)\displaystyle (a)와 같다.

출발 기울기 2/3인 꺾은선을 대칭이동하여 길이를 구하는 과정 (a), (b), (c), (d)

반직선이 변에 도달할 때 마다 정사각형(지나온 부분을 제외한 꺾은선 포함)을 변에 대하여대칭시키면 순차적으로 그림 (b)\displaystyle (b), 그림 (c)\displaystyle (c)그림 (d)\displaystyle (d)를 얻을 수 있다.따라서 꺾은선의 길이는 피타고라스정리에 의하여, 32+22=13\displaystyle \sqrt{3^2+2^2}=\sqrt{13}이다.

+40점

【물음 3】① 기울기가 qp\displaystyle \frac{q}{p}인 직선은 정수점 (p,q)\displaystyle (p,q)를 지난다.p,q\displaystyle p,q가 서로 소인 자연수이므로 (p,q)\displaystyle (p,q)는 직선이 만나는 최초의 정수점이다.③ 원점과 점(p,q)\displaystyle (p,q)를 잇는 선분을 【제시문 2】을 이용하여 꺾은선으로 바꾸면l\displaystyle l의 출발 기울기가 qp\displaystyle \frac{q}{p}일 때의 꺾은선이다.④ 따라서 꺾은선꺾은선의 길이는 원점에서 (p,q)\displaystyle (p,q)까지의 거리인 p2+q2\displaystyle \sqrt{p^2+q^2}이다.

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