수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 B 1번

문제

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해설강의 준비중

[문제 1-1] 답: 5+22+3\displaystyle 5+2\sqrt2+\sqrt3풀이:

두 원의 중심을 지나는 직선 위의 P0, Q0

삼각형 ABD\displaystyle ABD의 외접원의 중심 O1\displaystyle O_1과 삼각형 BCD\displaystyle BCD의 외접원의 중심 O2\displaystyle O_2를 지나는 직선이 각 원과 만나는 점을 P0,Q0\displaystyle P_0,Q_0라 하면, P0Q0\displaystyle \overline{P_0Q_0}의 길이가 구하고자 하는 값임을 보이자.O1\displaystyle O_1 위의 임의의 점 P\displaystyle P와 원 O2\displaystyle O_2 위의 임의의 점 Q\displaystyle Q에 대하여PO1+O1O2+O2Q=P0Q0\displaystyle \overline{PO_1}+\overline{O_1O_2}+\overline{O_2Q}=\overline{P_0Q_0}이다. 그런데 PQPO1+O1O2+O2Q\displaystyle \overline{PQ}\le\overline{PO_1}+\overline{O_1O_2}+\overline{O_2Q}이므로 PQP0Q0\displaystyle \overline{PQ}\le\overline{P_0Q_0}이다. 따라서 P0Q0\displaystyle \overline{P_0Q_0}가 구하고자 하는 값이다.O1\displaystyle O_1O2\displaystyle O_2의 반지름을 각각 r1\displaystyle r_1r2\displaystyle r_2라 하면 P0Q0=r1+r2+O1O2\displaystyle \overline{P_0Q_0}=r_1+r_2+\overline{O_1O_2}이다.삼각형 ABD\displaystyle ABDBCD\displaystyle BCD에 사인법칙을 적용하면 2r2sinBCD=BD, 2r1sinBAD=BD\displaystyle 2r_2\sin\angle BCD=\overline{BD},\ 2r_1\sin\angle BAD=\overline{BD}가 성립한다. 이로부터 r1=2, r2=3\displaystyle r_1=2,\ r_2=3임을 알 수 있다.선분 O1O2\displaystyle O_1O_2와 선분 BD\displaystyle BD의 교점을 H\displaystyle H라 하면, BH=1\displaystyle \overline{BH}=1이므로, O1H=3, O2H=22\displaystyle \overline{O_1H}=\sqrt3,\ \overline{O_2H}=2\sqrt2이다. 따라서 O1O2=3+22\displaystyle \overline{O_1O_2}=\sqrt3+2\sqrt2이다.그러므로 P0Q0=5+22+3\displaystyle \overline{P_0Q_0}=5+2\sqrt2+\sqrt3이다.

[문제 1-2] 답: 83300

풀이: A1\displaystyle A_1이 선분 A0A2\displaystyle A_0A_2의 중점이므로 삼각형 BA0A1\displaystyle BA_0A_1BA1A2\displaystyle BA_1A_2는 넓이가 같다. 즉 a1=a2\displaystyle a_1=a_2.A3\displaystyle A_3이 선분 A2A4\displaystyle A_2A_4의 중점이므로 삼각형 BA2A3\displaystyle BA_2A_3BA3A4\displaystyle BA_3A_4는 넓이가 같다. 즉 a3=a4\displaystyle a_3=a_4.삼각형 BA1A2\displaystyle BA_1A_2BA2A3\displaystyle BA_2A_3은 밑변의 길이가 BA2=2\displaystyle \overline{BA_2}=2이고 높이가 1이다. 즉 a2=a3=1\displaystyle a_2=a_3=1.따라서 a1=a2=a3=a4=1\displaystyle a_1=a_2=a_3=a_4=1이다.같은 이유로 k=1,2,,25\displaystyle k=1,2,\ldots,25에 대하여 다음이 성립한다.A4k3\displaystyle A_{4k-3}A4k4A4k2\displaystyle A_{4k-4}A_{4k-2}의 중점이므로 삼각형 BA4k4A4k3\displaystyle BA_{4k-4}A_{4k-3}BA4k3A4k2\displaystyle BA_{4k-3}A_{4k-2}는 넓이가 같다.A4k1\displaystyle A_{4k-1}A4k2A4k\displaystyle A_{4k-2}A_{4k}의 중점이므로 삼각형 BA4k2A4k1\displaystyle BA_{4k-2}A_{4k-1}BA4k1A4k\displaystyle BA_{4k-1}A_{4k}는 넓이가 같다.삼각형 BA4k3A4k2\displaystyle BA_{4k-3}A_{4k-2}BA4k2A4k1\displaystyle BA_{4k-2}A_{4k-1}은 밑변의 길이가 BA4k2=4k2\displaystyle \overline{BA_{4k-2}}=4k-2이고 높이가 1이다. 따라서a4k3=a4k2=a4k1=a4k=12(4k2)1=2k1\displaystyle a_{4k-3}=a_{4k-2}=a_{4k-1}=a_{4k}=\frac12\cdot(4k-2)\cdot1=2k-1.n=1100an2=k=125(a4k32+a4k22+a4k12+a4k2)=k=1254(2k1)2\displaystyle \sum_{n=1}^{100}a_n^2=\sum_{k=1}^{25}(a_{4k-3}^2+a_{4k-2}^2+a_{4k-1}^2+a_{4k}^2)=\sum_{k=1}^{25}4(2k-1)^2=k=125(16k216k+4)=1625265161625262+425\displaystyle =\sum_{k=1}^{25}(16k^2-16k+4)=16\cdot\frac{25\cdot26\cdot51}6-16\cdot\frac{25\cdot26}2+4\cdot25=83300\displaystyle =83300

네 삼각형씩 묶어 넓이를 계산하는 그림
하위 문항채점 기준배점
1-1A+: 정답과 풀이가 맞음 A: 풀이가 모두 맞았으나 마지막 단계에서 사소한 계산 실수가 있음. B+: B와 더불어 O1O2\displaystyle \overline{O_1O_2}를 구함. B: C와 더불어 r1\displaystyle r_1r2\displaystyle r_2를 구함. C: P0Q0\displaystyle \overline{P_0Q_0}가 최대의 길이임을 보임. D: O1O2\displaystyle \overline{O_1O_2}를 구함. E: 풀이와 관계있는 의미있는 시도를 함. F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.10
1-2A+: 수열의 합을 계산하여 83300을 구함. A: 수열의 합을 계산하였으나 답이 맞지 않음. B+: 넓이의 합을 수열의 합으로 바르게 표현함. B: 수열의 일반항을 구함. 즉 a4k3=a4k2=a4k1=a4k=2k1\displaystyle a_{4k-3}=a_{4k-2}=a_{4k-1}=a_{4k}=2k-1을 구함. C: a1=a2=a3=a4\displaystyle a_1=a_2=a_3=a_4임을 보임. D: a1=a2\displaystyle a_1=a_2 또는 a3=a4\displaystyle a_3=a_4 또는 a2=a3\displaystyle a_2=a_3임을 보임. E: 삼각형의 넓이 ak\displaystyle a_k 중 하나를 구함. F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.15

Correction. ‘넓이의 합’은 ‘넓이의 제곱의 합’의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

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