수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

[문제 1-1] 답: 56+212\displaystyle \frac56+\frac{\sqrt2}{12}

점 P가 원 위에 있으므로 P(cosθ,sinθ)\displaystyle \mathrm P(\cos\theta,\sin\theta)로 나타낼 수 있다. (0θ2π\displaystyle 0\le\theta\le2\pi)PA2=(cosθ(2))2+(sinθ(1))2=6+4cosθ+2sinθ\displaystyle \overline{\mathrm{PA}}^2=(\cos\theta-(-2))^2+(\sin\theta-(-1))^2=6+4\cos\theta+2\sin\theta이고,PB2=cos2θ+(sinθ(1))2=2+2sinθ\displaystyle \overline{\mathrm{PB}}^2=\cos^2\theta+(\sin\theta-(-1))^2=2+2\sin\theta이다.따라서 f(θ)=PA2+PB2=8+4(cosθ+sinθ)\displaystyle f(\theta)=\overline{\mathrm{PA}}^2+\overline{\mathrm{PB}}^2=8+4(\cos\theta+\sin\theta)이다.f(θ)\displaystyle f(\theta)가 최솟값을 가질 때 f(θ)=0\displaystyle f^{\prime}(\theta)=0이거나 θ=0\displaystyle \theta=0 또는 2π\displaystyle 2\pi이다.f(θ)=4(sinθ+cosθ)=0\displaystyle f^{\prime}(\theta)=4(-\sin\theta+\cos\theta)=0을 풀면, tanθ=sinθcosθ=1\displaystyle \tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}=1이다. 이 때 θ=π4,5π4\displaystyle \theta=\frac\pi4,\frac{5\pi}4이다.θ\displaystyle \theta의 닫힌구간 [0,2π]\displaystyle [0,2\pi]에서 f(θ)=4(sinθ+cosθ)\displaystyle f^{\prime}(\theta)=4(-\sin\theta+\cos\theta)의 부호를 조사하여 θ=5π4\displaystyle \theta=\frac{5\pi}4일 때 f(θ)\displaystyle f(\theta)가 극솟값을 갖는 것을 알 수 있다.f(5π4)=842,f(0)=f(2π)=12\displaystyle f\left(\frac{5\pi}4\right)=8-4\sqrt2,f(0)=f(2\pi)=12이므로 f(θ)\displaystyle f(\theta)θ=5π4\displaystyle \theta=\frac{5\pi}4일 때 최솟값을 갖는다.θ=5π4\displaystyle \theta=\frac{5\pi}4일 때 PA2=6+4cosθ+2sinθ=632\displaystyle \overline{\mathrm{PA}}^2=6+4\cos\theta+2\sin\theta=6-3\sqrt2이다.PAcosα=cosθ(2)=222\displaystyle \overline{\mathrm{PA}}\cos\alpha=\cos\theta-(-2)=2-\frac{\sqrt2}2이므로 PA2cos2α=9222\displaystyle \overline{\mathrm{PA}}^2\cos^2\alpha=\frac92-2\sqrt2이다.따라서 cos2α=(9222)1632=94222+26=56+212\displaystyle \cos^2\alpha=\left(\frac92-2\sqrt2\right)\cdot\frac1{6-3\sqrt2}=\frac{9-4\sqrt2}2\cdot\frac{2+\sqrt2}6=\frac56+\frac{\sqrt2}{12}이다.

[문제 1-2] 답: 154\displaystyle \frac{\sqrt{15}}4

점 O에서 직선 l\displaystyle l에 내린 수선의 발을 D, 수선의 길이를 a\displaystyle a라 하자. 직각삼각형 ADO를 이용하여 a=3sinθ\displaystyle a=3\sin\theta를 얻는다.원의 반지름이 2이므로 S=a224x2dx=2a24x2dx\displaystyle S=\int_a^22\sqrt{4-x^2}\,dx=-\int_2^a2\sqrt{4-x^2}\,dx이다.합성함수의 미분법으로부터 dSdθ=dSdadadθ\displaystyle \frac{dS}{d\theta}=\frac{dS}{da}\cdot\frac{da}{d\theta}를 얻는다.S=2a24x2dx\displaystyle S=-\int_2^a2\sqrt{4-x^2}\,dx이므로 미적분의 기본정리로부터 dSda=24a2\displaystyle \frac{dS}{da}=-2\sqrt{4-a^2}을 얻는다.a=3sinθ\displaystyle a=3\sin\theta으로부터 dadθ=3cosθ\displaystyle \frac{da}{d\theta}=3\cos\theta를 얻는다.따라서 dSdθ=24a23cosθ=249sin2θ3cosθ\displaystyle \frac{dS}{d\theta}=-2\sqrt{4-a^2}\cdot3\cos\theta=-2\sqrt{4-9\sin^2\theta}\cdot3\cos\theta이다.sin2θ+cos2θ=1\displaystyle \sin^2\theta+\cos^2\theta=1이므로 dSdθ=69cos2θ5cosθ\displaystyle \frac{dS}{d\theta}=-6\sqrt{9\cos^2\theta-5}\cdot\cos\theta이다.dSdθ=53\displaystyle \frac{dS}{d\theta}=-5\sqrt3이므로 69cos2θ5cosθ=53\displaystyle -6\sqrt{9\cos^2\theta-5}\cdot\cos\theta=-5\sqrt3이다.따라서 12(9cos2θ5)cos2θ=25\displaystyle 12(9\cos^2\theta-5)\cdot\cos^2\theta=25이다.t=cos2θ\displaystyle t=\cos^2\theta라 하면 12(9t5)t=25\displaystyle 12(9t-5)t=25이다.정리하여 t\displaystyle t에 대한 이차방정식 108t260t25=0\displaystyle 108t^2-60t-25=0을 얻는다.t>0\displaystyle t>0이므로, 이차방정식을 풀면 t=56\displaystyle t=\frac56이다.θ\displaystyle \theta가 예각이므로 cosθ>0\displaystyle \cos\theta>0이고, 따라서 cosθ=t=56\displaystyle \cos\theta=\sqrt t=\sqrt{\frac56}이다.이 때 sinθ=156=16\displaystyle \sin\theta=\sqrt{1-\frac56}=\sqrt{\frac16}이고 a=3sinθ=62\displaystyle a=3\sin\theta=\frac{\sqrt6}2이다.직각삼각형 BDO를 이용하여 cosα2=a2=64\displaystyle \cos\frac\alpha2=\frac a2=\frac{\sqrt6}4을 얻는다. 이 때 sinα2=104\displaystyle \sin\frac\alpha2=\frac{\sqrt{10}}4이다.삼각함수의 덧셈정리로부터sinα=sin(α2+α2)=sinα2cosα2+cosα2sinα2=2sinα2cosα2\displaystyle \sin\alpha=\sin\left(\frac\alpha2+\frac\alpha2\right)=\sin\frac\alpha2\cos\frac\alpha2+\cos\frac\alpha2\sin\frac\alpha2=2\sin\frac\alpha2\cos\frac\alpha2이다.따라서 sinα=210464=154\displaystyle \sin\alpha=2\cdot\frac{\sqrt{10}}4\cdot\frac{\sqrt6}4=\frac{\sqrt{15}}4이다.

문항채점 기준배점
[문제 1-1]F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음 E: 점 P의 좌표를 P(cosθ,sinθ)\displaystyle \mathrm P(\cos\theta,\sin\theta)로 나타냄 D: f(θ)=PA2+PB2=8+4(cosθ+sinθ)\displaystyle f(\theta)=\overline{\mathrm{PA}}^2+\overline{\mathrm{PB}}^2=8+4(\cos\theta+\sin\theta)로 나타냄 C: D와 더불어 f(θ)=0\displaystyle f^{\prime}(\theta)=0을 풀어 θ=π4,5π4\displaystyle \theta=\frac\pi4,\frac{5\pi}4를 구함 B: C와 더불어 θ=5π4\displaystyle \theta=\frac{5\pi}4일 때 최솟값을 가짐을 구함 B+: B와 더불어 PA2=632\displaystyle \overline{\mathrm{PA}}^2=6-3\sqrt2임을 구함 A: B+와 더불어 PAcosα=222\displaystyle \overline{\mathrm{PA}}\cos\alpha=2-\frac{\sqrt2}2를 구함 A+: A와 더불어 cos2α=56+26\displaystyle \cos^2\alpha=\frac56+\frac{\sqrt2}610

Correction. 두 번째 항 2/6\displaystyle \sqrt2/62/12\displaystyle \sqrt2/12의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[문제 1-2]F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음 E: S=a224x2dx\displaystyle S=\int_a^22\sqrt{4-x^2}\,dx을 적음 D: E와 더불어 dSda=24a2\displaystyle \frac{dS}{da}=-2\sqrt{4-a^2}를 구함 C: D와 더불어 dSdθ=69cos2θ5cosθ\displaystyle \frac{dS}{d\theta}=-6\sqrt{9\cos^2\theta-5}\cdot\cos\theta를 구함 B: C와 더불어 cosθ=56\displaystyle \cos\theta=\sqrt{\frac56}를 구함 B+: B와 더불어 a=62\displaystyle a=\frac{\sqrt6}2을 구함 A: B+와 더불어 sinα2=104\displaystyle \sin\frac\alpha2=\frac{\sqrt{10}}4를 구함 A+: A와 더불어 sinα=154\displaystyle \sin\alpha=\frac{\sqrt{15}}4를 구함15

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

※ 채점 기준은 문항의 출제 의도에 대한 평가를 위한 것이어야 함

※ 위와 같이 채점하여 득점을 산출한 후, 700점 만점 기준으로 환산함

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