수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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[문제 1-1] 정답: a4b(a2+b2)\displaystyle \frac a{4b}(a^2+b^2)

접은 종이에서 삼각형 GBD의 높이 h

GBD\displaystyle \triangle GBD의 높이를 h\displaystyle h라고 하자. 종이를 접었기 때문에 삼각형의 GBD=DBC\displaystyle \angle GBD=\angle DBC이다. 이 각을 θ\displaystyle \theta라 두자. GDB+CDB=π2\displaystyle \angle GDB+\angle CDB=\frac\pi2이고 CDB+θ=π2\displaystyle \angle CDB+\theta=\frac\pi2이므로 GDB=θ\displaystyle \angle GDB=\theta이다. 그러므로 GBD\displaystyle \triangle GBD가 이등변삼각형이므로 높이 h=tanθ×BD2=a2ba2+b2\displaystyle h=\tan\theta\times\frac{\overline{BD}}2=\frac a{2b}\sqrt{a^2+b^2}이다. 이 때, BCD\displaystyle \triangle BCD를 이용하여 tanθ=ab\displaystyle \tan\theta=\frac ab이다.

그러므로 GBD\displaystyle \triangle GBD 넓이는 12a2+b2aa2+b22b=a4b(a2+b2)\displaystyle \frac12\sqrt{a^2+b^2}\frac{a\sqrt{a^2+b^2}}{2b}=\frac a{4b}(a^2+b^2)이다.

[문제 1-2] 정답: 423\displaystyle \frac{4\sqrt2}3

직각삼각형 CDE에서 CE에 내린 높이 h와 DE=x

DE=x\displaystyle \overline{DE}=x라고 두자. x\displaystyle x의 범위는 0x3\displaystyle 0\le x\le3이다. 사각뿔 FABCE\displaystyle F-ABCE의 밑면의 넓이는 사각형 ABCD\displaystyle ABCD의 넓이에서 DEC\displaystyle \triangle DEC의 넓이를 빼면 된다. 즉, (밑면의 넓이) = 3×212×2×x=6x\displaystyle 3\times2-\frac12\times2\times x=6-x이다.

사각뿔 FABCE\displaystyle F-ABCE의 높이를 h\displaystyle h라 하자. CE\displaystyle \overline{CE}는 직각삼각형 CDE\displaystyle CDE에 피타고라스 정리를 적용하여 x2+4\displaystyle \sqrt{x^2+4}이다. 이제 CDE\displaystyle \triangle CDE의 넓이를 이용하여 12×h×x2+4=12×2×x\displaystyle \frac12\times h\times\sqrt{x^2+4}=\frac12\times2\times x이므로 h=2xx2+4\displaystyle h=\frac{2x}{\sqrt{x^2+4}}이다. 이제 사각뿔 FABCE\displaystyle F-ABCE의 부피를 V(x)\displaystyle V(x)라고 두면 V(x)=13×(밑면의 넓이)×(높이)=13(6x)2xx2+4\displaystyle V(x)=\frac13\times\text{(밑면의 넓이)}\times\text{(높이)}=\frac13(6-x)\frac{2x}{\sqrt{x^2+4}}이다.

최댓값을 구하기 위해 x\displaystyle x로 미분하면

V(x)=23(6xx2x2+4)=23(2x)(x2+2x+12)(x2+4)3\displaystyle V^{\prime}(x)=\frac23\left(\frac{6x-x^2}{\sqrt{x^2+4}}\right)^{\prime}=\frac23\frac{(2-x)(x^2+2x+12)}{\sqrt{(x^2+4)^3}}이다.

그러므로 0<x<2\displaystyle 0<x<2일 때 V(x)>0\displaystyle V^{\prime}(x)>0이므로 V(x)\displaystyle V(x) 증가하고, x=2\displaystyle x=2일 때 V(x)=0\displaystyle V^{\prime}(x)=0, 2<x<3\displaystyle 2<x<3일 때 V(x)<0\displaystyle V^{\prime}(x)<0이므로 V(x)\displaystyle V(x) 감소하므로 부피의 최댓값은 V(2)=423\displaystyle V(2)=\frac{4\sqrt2}3이다.

하위 문항채점 기준배점
[1-1]F: 답안이 빈칸이거나 문제와 관련이 없는 내용을 적은 경우 E: 길이나 각을 구하려고 계산시도 하였으나 잘못한 경우 D: 의미 있는 길이나 각을 풀이 없이 적은 경우. 예를 들어 BD=a2+b2\displaystyle \overline{BD}=\sqrt{a^2+b^2}를 적은 경우 C: 삼각형의 넓이를 12GDAB\displaystyle \frac12\overline{GD}\,\overline{AB} 또는 12BDh\displaystyle \frac12\overline{BD}\,h로 나타낸 경우 B: GBD\displaystyle \triangle GBD가 이등변삼각형임을 이용하여 h\displaystyle h를 구하였거나 틀린 경우 B+: h\displaystyle h를 정확히 구한 경우 A: 넓이 공식과 h\displaystyle h를 이용하여 넓이를 구했으나 답이 틀린 경우 A+: 넓이를 a4b(a2+b2)\displaystyle \frac a{4b}(a^2+b^2)를 정확히 구한 경우
[1-2]F: 답안이 빈칸이거나 문제와 관련 없는 내용을 적은 경우 E: 길이나 각을 구하려고 계산시도 하였으나 잘못한 경우 D: 풀이 없이 h\displaystyle hx\displaystyle x에 대해서 표현한 경우 C: 부피 V(x)\displaystyle V(x)x\displaystyle x에 대해 맞게 구한 경우 B: V(x)\displaystyle V^{\prime}(x)를 구하고자 하였으나 틀린 경우 B+: V(x)\displaystyle V^{\prime}(x)를 맞게 구한 경우 A: V(x)=0\displaystyle V^{\prime}(x)=0에서 x=2\displaystyle x=2를 구한 경우 A+: V(2)=423\displaystyle V(2)=\frac{4\sqrt2}3을 구한 경우

※ 하위 문항에 따라 칸을 나누어 채점 기준과 배점을 작성하고 필요한 경우 채점 시 유의사항을 추가함.

※ 채점 기준은 문항의 출제의도에 대한 평가를 위한 것이어야 함.

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