수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

KU자유전공학부 2번

문제

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[문제 2-1] 답) 12\displaystyle \frac12

풀이)A(a,a3+a+3)\displaystyle \mathrm A(a,a^3+a+3)이라 하자.1) a=0\displaystyle a=0일 때점 A의 좌표는 (0,3)\displaystyle (0,3)이고 선분 AB는 O를 지나므로 점 B의 좌표는 (0,2)\displaystyle (0,-2)이다.따라서 OAOB=32\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{OA}}}{\overline{\mathrm{OB}}}=\frac32이다.2) a0\displaystyle a\ne0일 때직선 OA의 방정식은 y=a3+a+3ax\displaystyle y=\frac{a^3+a+3}{a}x이다.a3+a+3ax=4x2\displaystyle \frac{a^3+a+3}{a}x=4x-2에서 x=2a4a(a3+a+3)\displaystyle x=\frac{2a}{4a-(a^3+a+3)}이고,점 B의 좌표는 (2a4a(a3+a+3),2(a3+a+3)4a(a3+a+3))\displaystyle \left(\frac{2a}{4a-(a^3+a+3)},\frac{2(a^3+a+3)}{4a-(a^3+a+3)}\right)이다.OA=a2+(a3+a+3)2\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}=\sqrt{a^2+(a^3+a+3)^2}이고,OB=4(a2+(a3+a+3)2)(4a(a3+a+3))2=2a2+(a3+a+3)2a33a+3\displaystyle \overline{\mathrm{OB}}=\sqrt{\frac{4(a^2+(a^3+a+3)^2)}{(4a-(a^3+a+3))^2}}=\frac{2\sqrt{a^2+(a^3+a+3)^2}}{|a^3-3a+3|}이다.따라서 OAOB=a33a+32\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{OA}}}{\overline{\mathrm{OB}}}=\frac{|a^3-3a+3|}{2}이다.f(x)=x33x+3 (x0)\displaystyle f(x)=x^3-3x+3\ (x\ge0)이라 하자.f(x)=3x23=3(x1)(x+1)\displaystyle f^{\prime}(x)=3x^2-3=3(x-1)(x+1)이다. f(1)=0\displaystyle f^{\prime}(1)=0이고 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)x=1\displaystyle x=1의 좌우에서 부호가 음에서 양으로 바뀐다. 따라서 x0\displaystyle x\ge0일 때 f(x)\displaystyle f(x)x=1\displaystyle x=1의 좌우에서 감소하다가 증가한다. 그러므로 x0\displaystyle x\ge0일 때 f(x)\displaystyle f(x)의 최솟값은 f(1)=1\displaystyle f(1)=1이고 f(x)0\displaystyle f(x)\ge0이다. 따라서 x0\displaystyle x\ge0일 때 f(x)\displaystyle |f(x)|의 최솟값은 f(1)=1\displaystyle f(1)=1이다.OAOB\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{OA}}}{\overline{\mathrm{OB}}}의 최솟값은 f(1)2=12\displaystyle \frac{f(1)}2=\frac12이다.1)과 2)에서 OAOB\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{OA}}}{\overline{\mathrm{OB}}}의 최솟값은 12\displaystyle \frac12이다.

[문제 2-2] 답) 32

풀이)4개의 수의 합이 최소일 때는 1+2+3+4=10\displaystyle 1+2+3+4=10이고 최대일 때는 6+7+8+9=30\displaystyle 6+7+8+9=30이다.따라서 4개의 수의 합으로서 가능한 4의 배수는 12, 16, 20, 24, 28이다.4개의 수를 a,b,c,d\displaystyle a,b,c,d라 하자. 순서에 상관없고 서로 다른 수이므로 a<b<c<d\displaystyle a<b<c<d로 생각할 수 있다.a+b+c+d=k\displaystyle a+b+c+d=k라 하자.a+(a+1)+(a+2)+(a+3)k(d3)+(d2)+(d1)+d\displaystyle a+(a+1)+(a+2)+(a+3)\le k\le(d-3)+(d-2)+(d-1)+d이므로ak64,dk+64()\displaystyle a\le\frac{k-6}4,\quad d\ge\frac{k+6}4\qquad(\ast)(1) k=12\displaystyle k=12인 경우(*)에 의해 a=1, d5\displaystyle a=1,\ d\ge5이고 이때 가능한 경우는(a,b,c,d)=(1,2,3,6),(1,2,4,5)\displaystyle (a,b,c,d)=(1,2,3,6),(1,2,4,5)의 2개이다.(2) k=16\displaystyle k=16인 경우(*)에 의해 a2, d6\displaystyle a\le2,\ d\ge6이고 이때 가능한 경우는a=1\displaystyle a=1일 때 (a,b,c,d)=(1,2,4,9),(1,2,5,8),(1,2,6,7),(1,3,4,8),(1,3,5,7),(1,4,5,6)\displaystyle (a,b,c,d)=(1,2,4,9),(1,2,5,8),(1,2,6,7),(1,3,4,8),(1,3,5,7),(1,4,5,6)a=2\displaystyle a=2일 때 (a,b,c,d)=(2,3,4,7),(2,3,5,6)\displaystyle (a,b,c,d)=(2,3,4,7),(2,3,5,6)(3) k=20\displaystyle k=20인 경우(*)에 의해 a3, d7\displaystyle a\le3,\ d\ge7이고 이때 가능한 경우는a=1\displaystyle a=1일 때 (a,b,c,d)=(1,2,8,9),(1,3,7,9),(1,4,6,9),(1,4,7,8),(1,5,6,8)\displaystyle (a,b,c,d)=(1,2,8,9),(1,3,7,9),(1,4,6,9),(1,4,7,8),(1,5,6,8)a=2\displaystyle a=2일 때 (a,b,c,d)=(2,3,6,9),(2,3,7,8),(2,4,5,9),(2,4,6,8),(2,5,6,7)\displaystyle (a,b,c,d)=(2,3,6,9),(2,3,7,8),(2,4,5,9),(2,4,6,8),(2,5,6,7)a=3\displaystyle a=3일 때 (a,b,c,d)=(3,4,5,8),(3,4,6,7)\displaystyle (a,b,c,d)=(3,4,5,8),(3,4,6,7)(4) k=24\displaystyle k=24인 경우(*)에 의해 a4, d8\displaystyle a\le4,\ d\ge8이고 이때 가능한 경우는a=1\displaystyle a=1일 때 (a,b,c,d)=(1,6,8,9)\displaystyle (a,b,c,d)=(1,6,8,9)a=2\displaystyle a=2일 때 (a,b,c,d)=(2,5,8,9),(2,6,7,9)\displaystyle (a,b,c,d)=(2,5,8,9),(2,6,7,9)a=3\displaystyle a=3일 때 (a,b,c,d)=(3,4,8,9),(3,5,7,9),(3,6,7,8)\displaystyle (a,b,c,d)=(3,4,8,9),(3,5,7,9),(3,6,7,8)a=4\displaystyle a=4일 때 (a,b,c,d)=(4,5,6,9),(4,5,7,8)\displaystyle (a,b,c,d)=(4,5,6,9),(4,5,7,8)(5) k=28\displaystyle k=28인 경우(*)에 의해 a5, d=9\displaystyle a\le5,\ d=9이고 이때 가능한 경우는(a,b,c,d)=(4,7,8,9),(5,6,8,9)\displaystyle (a,b,c,d)=(4,7,8,9),(5,6,8,9)의 2개이다.위 5가지 경우는 동시에 일어나지 않으므로, 경우의 수는 2+8+12+8+2=32\displaystyle 2+8+12+8+2=32개이다.

[문제 2-3] 답) (1) 283\displaystyle \frac{28}3, (2) 23<t<2+3\displaystyle 2-\sqrt3<t<2+\sqrt3풀이)

내접원 중심 E와 접점 Q 및 t가 1/2일 때의 삼각형

A(0,0), B(4,0)\displaystyle \mathrm A(0,0),\ \mathrm B(4,0), 원의 중심을 E(t,1)\displaystyle \mathrm E(t,1)이라 하자 [그림 1].직선 AC의 기울기를 m\displaystyle m이라 하면, 직선 AC의 방정식은 y=mx (m0)\displaystyle y=mx\ (m\ne0)이다. 직선 AC와 점 E 사이의 거리는 내접원의 반지름 1과 같으므로 1m12m2+1=1\displaystyle \frac{|1-m\frac12|}{\sqrt{m^2+1}}=1 따라서 m=43\displaystyle m=-\frac43이다.직선 BC의 기울기를 n\displaystyle n이라 하면, 직선 BC의 방정식은 y=n(x4) (n0)\displaystyle y=n(x-4)\ (n\ne0)이다.직선 BC와 점 E 사이의 거리가 내접원의 반지름 1과 같으므로 n1214nn2+1=1\displaystyle \frac{|n\frac12-1-4n|}{\sqrt{n^2+1}}=1그러므로 n=2845\displaystyle n=-\frac{28}{45}이다. 직선 AC y=43x\displaystyle y=-\frac43x와 직선 BC y=2845(x4)\displaystyle y=-\frac{28}{45}(x-4)의 교점을 구하면 C(72,143)\displaystyle \mathrm C\left(-\frac72,\frac{14}3\right)이다 [그림 2].따라서 삼각형의 넓이는 12×AB×(C의 y좌표)=283\displaystyle \frac12\times\overline{\mathrm{AB}}\times(\mathrm C\text{의 }y\text{좌표})=\frac{28}3이다.(2) 삼각형 ABC가 만들어지려면 A+B<π\displaystyle \mathrm A+\mathrm B<\pi이어야 한다.πA>B\displaystyle \pi-\mathrm A>\mathrm B이므로 π2A2>B2\displaystyle \frac\pi2-\frac{\mathrm A}2>\frac{\mathrm B}2, 따라서 tan(π2A2)>tanB2\displaystyle \tan\left(\frac\pi2-\frac{\mathrm A}2\right)>\tan\frac{\mathrm B}2이다.그런데,tan(π2A2)=sin(π2A2)cos(π2A2)=cosA2sinA2=1sinA2cosA2=1tanA2\displaystyle \tan\left(\frac\pi2-\frac{\mathrm A}2\right)=\frac{\sin\left(\frac\pi2-\frac{\mathrm A}2\right)}{\cos\left(\frac\pi2-\frac{\mathrm A}2\right)}=\frac{\cos\frac{\mathrm A}2}{\sin\frac{\mathrm A}2}=\frac1{\frac{\sin\frac{\mathrm A}2}{\cos\frac{\mathrm A}2}}=\frac1{\tan\frac{\mathrm A}2}이므로tanA2tanB2<1\displaystyle \tan\frac{\mathrm A}2\tan\frac{\mathrm B}2<1이다.tanA2=1t, tanB2=14t\displaystyle \tan\frac{\mathrm A}2=\frac1t,\ \tan\frac{\mathrm B}2=\frac1{4-t}이고 t(4t)>1\displaystyle t(4-t)>1t24t+1<0\displaystyle t^2-4t+1<0이므로23<t<2+3\displaystyle 2-\sqrt3<t<2+\sqrt3이다.

하위 문항채점 기준배점
문제2-1A+: 답과 풀이가 맞음. A: OAOB=a33a+32\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{OA}}}{\overline{\mathrm{OB}}}=\frac{|a^3-3a+3|}2를 구함 B+: 점 B의 좌표 (2a4a(a3+a+3),2(a3+a+3)4a(a3+a+3))\displaystyle \left(\frac{2a}{4a-(a^3+a+3)},\frac{2(a^3+a+3)}{4a-(a^3+a+3)}\right)를 구함. 그리고 OAOB\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{OA}}}{\overline{\mathrm{OB}}}a\displaystyle a에 대하여 구하였으나 사소한 계산 실수가 있음. B: 점 B의 좌표 (2a4a(a3+a+3),2(a3+a+3)4a(a3+a+3))\displaystyle \left(\frac{2a}{4a-(a^3+a+3)},\frac{2(a^3+a+3)}{4a-(a^3+a+3)}\right)를 구함. C: 직선 OA의 방정식 y=a3+a+3ax\displaystyle y=\frac{a^3+a+3}a x을 구함. D: 풀이와 관계있는 의미있는 시도를 함. F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.15
문제2-2A+: 답과 풀이가 맞음. A: (1)-(5) 중에서 세 개를 정확히 구함 B+: (1)-(5) 중에서 두 개를 정확히 구함 B: (1)-(5) 중에서 하나를 정확히 구함 C: 가능한 4의 배수가 12, 16, 20, 24, 28의 경우임을 적음 D: 풀이와 관계있는 의미있는 시도를 함. F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.20
문제2-3A+: 답과 풀이가 맞음. A: t=12\displaystyle t=\frac12일 때 넓이 283\displaystyle \frac{28}3을 구하고, t24t+1<0\displaystyle t^2-4t+1<0을 구함. B+: t=12\displaystyle t=\frac12일 때 넓이 283\displaystyle \frac{28}3을 구하고, A+B<π\displaystyle \mathrm A+\mathrm B<\pi를 구함. B: t=12\displaystyle t=\frac12일 때 넓이 283\displaystyle \frac{28}3을 구함. C: t=12\displaystyle t=\frac12일 때 직선 AC, 직선 BC의 방정식이나 교점 C를 구함. D: 풀이와 관계있는 의미있는 시도를 함. F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.25

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