수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 2번

문제

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【2-1】점 H에서 평면 α\displaystyle \alpha에 내린 수선의 발 R와 점 P를 연결하는 (평면 α\displaystyle \alpha위의) 선분과 인공위성 A가 이동하는 원 Oa\displaystyle O_a와의 교점을 Q라 하자. 인공위성 A가 점 Q에 위치할 때, 점 A와 점 H사이의 거리가 최소가 된다.PH=152\displaystyle \overline{\mathrm{PH}}=15\sqrt2이고 HR=1×14+2×162×1+112+22+(2)2=15\displaystyle \overline{\mathrm{HR}}=\frac{|1\times14+2\times16-2\times1+1|}{\sqrt{1^2+2^2+(-2)^2}}=15이므로피타고라스 정리를 사용하면PR=PH2HR2=15, QR=PRPQ=8\displaystyle \overline{\mathrm{PR}}=\sqrt{\overline{\mathrm{PH}}^2-\overline{\mathrm{HR}}^2}=15,\ \overline{\mathrm{QR}}=\overline{\mathrm{PR}}-\overline{\mathrm{PQ}}=8이고, HQ=HR2+QR2=17\displaystyle \overline{\mathrm{HQ}}=\sqrt{\overline{\mathrm{HR}}^2+\overline{\mathrm{QR}}^2}=17이다.

(별해)점 H에서 평면 α\displaystyle \alpha에 내린 수선의 발 R와 점 P를 연결하는 (평면 α\displaystyle \alpha위의) 선분과 인공위성 A가 이동하는 원 Oa\displaystyle O_a와의 교점을 Q라 하자. 인공위성 A가 점 Q에 위치할 때, 점 A와 점 H사이의 거리가 최소가 된다.점 H를 지나면서 평면 α\displaystyle \alpha와 수직인 직선의 벡터 방정식은 (t+14,2t+16,2t+1)\displaystyle (t+14,2t+16,-2t+1)이다. 이것을 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식에 대입하면 t=5\displaystyle t=-5임을 구할 수 있고, 따라서 수선의 발 R의 좌표는 (9,6,11)\displaystyle (9,6,11)이다.PR=15, QR=PRPQ=8\displaystyle \overline{\mathrm{PR}}=15,\ \overline{\mathrm{QR}}=\overline{\mathrm{PR}}-\overline{\mathrm{PQ}}=8이고 HR=1×14+2×162×1+112+22+(2)2=15\displaystyle \overline{\mathrm{HR}}=\frac{|1\times14+2\times16-2\times1+1|}{\sqrt{1^2+2^2+(-2)^2}}=15이니HQ=HR2+QR2=17\displaystyle \overline{\mathrm{HQ}}=\sqrt{\overline{\mathrm{HR}}^2+\overline{\mathrm{QR}}^2}=17이다.

【2-2】(1) ①과 ②에 알맞은 값은 각각 vv=v2=98, 2uv=982\displaystyle \vec v\cdot\vec v=|\vec v|^2=98,\ 2|\vec u||\vec v|=98\sqrt2이다.

(2) 두 인공위성이 최단거리에 위치했을 때의 시간을 t=t0\displaystyle t=t_0(분)이라 하고 그 때의 인공위성 A의 위치를 점 T라 하면, APT\displaystyle \angle\mathrm{APT}BPT\displaystyle \angle\mathrm{BPT}의 차이의 시간에 따른 변화율은 t0t<t0+15\displaystyle t_0\le t<t_0+15에서dθdt=8π604π60=π15\displaystyle \frac{d\theta}{dt}=\frac{8\pi}{60}-\frac{4\pi}{60}=\frac\pi{15}이다.또한, 시간 t (t0t<t0+15)\displaystyle t\ (t_0\le t<t_0+15)에서 인공위성 A와 인공위성 B사이의 거리를 D=D(t), APB\displaystyle D=D(t),\ \angle\mathrm{APB}θ=θ(t)\displaystyle \theta=\theta(t)라 하면, (1)에 의하여D2=49+98982cosθ  2DdDdt=982sinθdθdt ()\displaystyle D^2=49+98-98\sqrt2\cos\theta\ \Rightarrow\ 2D\frac{dD}{dt}=98\sqrt2\sin\theta\frac{d\theta}{dt}\quad\cdots\ (*)이다.두 인공위성이 최단거리에 위치한 후 처음으로 APB=45 (t=t0+154)\displaystyle \angle\mathrm{APB}=45^\circ\ \left(t=t_0+\frac{15}4\right)가 될 때, dθdt\displaystyle \frac{d\theta}{dt}의 값은 π15\displaystyle \frac\pi{15}이고 D=7\displaystyle D=7이다.따라서 (*)에 의해 t=t0+154\displaystyle t=t_0+\frac{15}4일 때 dDdt\displaystyle \frac{dD}{dt}의 값은 7π15\displaystyle \frac{7\pi}{15}이다.

【2-3】두 벡터 e=(1,2,2), f=(4,1,1)\displaystyle \vec e=(1,2,-2),\ \vec f=(4,-1,1)은 각각 평면 α\displaystyle \alpha의 법선벡터, 직선 l\displaystyle l의 방향벡터이다.벡터 y=(2,p,q)\displaystyle \vec y=(2,p,q)는 인공위성 C의 회전축의 방향벡터이다. 벡터 z=(c,d,e)\displaystyle \vec z=(c,d,e)는 벡터 f\displaystyle \vec f와 수직이면서 평면 α\displaystyle \alpha와 평행하다고 하면 fz, eα\displaystyle \vec f\perp\vec z,\ \vec e\perp\alpha 이므로 제시문 (다)에 의하여 다음의 연립방정식을 얻을 수 있다.{fz=4cd+e=0ez=c+2d2e=0yz=2c+pd+qe=0\displaystyle \begin{cases}\vec f\cdot\vec z=4c-d+e=0\\\vec e\cdot\vec z=c+2d-2e=0\\\vec y\cdot\vec z=2c+pd+qe=0\end{cases}연립방정식을 풀면 c=0\displaystyle c=0이고 d=e\displaystyle d=e이다. d0\displaystyle d\ne0이므로 p+q=0\displaystyle p+q=0이다. 따라서 y=(2,p,p)\displaystyle \vec y=(2,p,-p) 또는 y=(2,q,q)\displaystyle \vec y=(2,-q,q)이다.한편, 직선 l\displaystyle l은 평면 α\displaystyle \alpha위에 있으므로 원 Oc\displaystyle O_c의 중심은 평면 α\displaystyle \alpha위에 있다. 원 Oc\displaystyle O_c의 넓이는 100π\displaystyle 100\pi이므로 그것을 평면 α\displaystyle \alpha에 정사영 시켰을 때, 그 정사영으로 둘러싸인 도형의 넓이가 502π\displaystyle 50\sqrt2\pi이므로 제시문 (나)에 의하여 벡터 f\displaystyle \vec f와 벡터 y\displaystyle \vec y가 이루는 각의 크기는 45\displaystyle 45^\circ 또는 135\displaystyle 135^\circ이다. ±22=4p9(p2+2)\displaystyle \pm\frac{\sqrt2}2=\frac{4-p}{\sqrt{9(p^2+2)}}에서 p\displaystyle p는 이차방정식 7p2+16p14=0\displaystyle 7p^2+16p-14=0의 해가 되므로 p=q=8±927\displaystyle p=-q=\frac{-8\pm9\sqrt2}7이고 6pq=7p=8±92\displaystyle 6p-q=7p=-8\pm9\sqrt2이다.그러므로 (m,n)=(8,±9)\displaystyle (m,n)=(-8,\pm9)이다.

하위 문항채점 기준배점
【2-1】PH=152\displaystyle \overline{\mathrm{PH}}=15\sqrt2를 구하면 5점<br>HR=15\displaystyle \overline{\mathrm{HR}}=15를 구하면 5점<br>또는 수선의 발 R의 좌표 (9,6,11)\displaystyle (9,6,11)를 계산하면 10점<br>인공위성 A가 점 Q에 위치할 때, 점 A와 점 H사이의 거리가 최소가 됨을 명시하면 10점<br>HQ=17\displaystyle \overline{\mathrm{HQ}}=17을 구하면 10점30
【2-2】 (1)vv=98\displaystyle \vec v\cdot\vec v=98을 구하면 5점<br>2uv=982\displaystyle 2|\vec u||\vec v|=98\sqrt2를 구하면 5점10
【2-2】 (2)2DdDdt=982sinθdθdt\displaystyle 2D\frac{dD}{dt}=98\sqrt2\sin\theta\frac{d\theta}{dt}를 구하면 15점<br>(D\displaystyle DD=(7cosθ172cosθ2)2+(7sinθ172sinθ2)2\displaystyle D=\sqrt{(7\cos\theta_1-7\sqrt2\cos\theta_2)^2+(7\sin\theta_1-7\sqrt2\sin\theta_2)^2} 또는 D=(7cos2θ72cosθ)2+(7sin2θ72sinθ)2\displaystyle D=\sqrt{(7\cos2\theta-7\sqrt2\cos\theta)^2+(7\sin2\theta-7\sqrt2\sin\theta)^2}로 표현하면 10점)<br>t=t0+154\displaystyle t=t_0+\frac{15}4일 때 dθdt\displaystyle \frac{d\theta}{dt}의 값은 π15\displaystyle \frac\pi{15}를 구하면 5점<br>dDdt=7π15\displaystyle \frac{dD}{dt}=\frac{7\pi}{15}를 구하면 10점30
【2-3】p=q\displaystyle p=-q임을 유도하면 30점<br>정사영을 이용하여 직선 l\displaystyle l과 인공위성 C의 회전축이 이루는 각 θ\displaystyle \theta의 크기가 45\displaystyle 45^\circ, 즉 cosθ=22\displaystyle \cos\theta=\frac{\sqrt2}2임을 구하면 5점<br>이차방정식 7p2+16p14=0\displaystyle 7p^2+16p-14=0을 유도하면 5점<br>(8,9),(8,9)\displaystyle (-8,9),(-8,-9)를 구하면 각각 5점50

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