수리논술, 이게 다다.

통합계열 2번

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문제

※ [문제 2]: 다음을 읽고 물음에 답하시오. [50점]

제시문 2-1

(가) 어떤 도형을 주어진 직선 또는 점에 대하여 대칭인 도형으로 옮기는 것을 대칭이동이라고 한다. 방정식 f(x,y)=0\displaystyle f(x,y)=0이 나타내는 도형을(1) x\displaystyle x축에 대하여 대칭이동한 도형의 방정식은 f(x,−y)=0\displaystyle f(x,-y)=0(2) y\displaystyle y축에 대하여 대칭이동한 도형의 방정식은 f(−x,y)=0\displaystyle f(-x,y)=0(3) 원점에 대하여 대칭이동한 도형의 방정식은 f(−x,−y)=0\displaystyle f(-x,-y)=0

(나) 삼각형의 세 변의 길이와 세 각의 크기 사이에는 다음과 같은 관계가 성립하는데 이를 코사인법칙이라고 한다.a2=b2+c2−2bccos⁡A\displaystyle a^2=b^2+c^2-2bc\cos Ab2=c2+a2−2cacos⁡B\displaystyle b^2=c^2+a^2-2ca\cos Bc2=a2+b2−2abcos⁡C\displaystyle c^2=a^2+b^2-2ab\cos C

[문제 2-1] (15점)좌표평면 위에 직선 ℓ:y=kx−5\displaystyle \ell:y=kx-5와 곡선 C1:y=(x−3)2+2 (x≥3)\displaystyle C_1:y=(x-3)^2+2\ (x\ge3), 그리고 곡선 C1\displaystyle C_1을 원점에 대하여 대칭이동한 곡선 C2\displaystyle C_2가 있다. 직선 ℓ\displaystyle \ell과 곡선 C1\displaystyle C_1이 만나게 하는 실수 k\displaystyle k값의 범위는 k≥a\displaystyle k\ge a이고, 직선 ℓ\displaystyle \ell과 곡선 C2\displaystyle C_2가 만나게 하는 실수 k\displaystyle k값의 범위는 k≥b\displaystyle k\ge b이다. (a,b\displaystyle a,b는 상수)

(1) a+b\displaystyle a+b의 값을 구하고 풀이 과정을 쓰시오.

(2) k=a\displaystyle k=a일 때 직선 ℓ\displaystyle \ell과 y\displaystyle y축의 교점을 P, 직선 ℓ\displaystyle \ell과 곡선 C1\displaystyle C_1의 교점을 A라 하자. k=b\displaystyle k=b일 때 직선 ℓ\displaystyle \ell과 곡선 C2\displaystyle C_2의 교점을 B라 하자.∠APB\displaystyle \angle\mathrm{APB}의 크기를 θ\displaystyle \theta라 할 때, sin⁡θ\displaystyle \sin\theta의 값을 구하고 풀이 과정을 쓰시오.

제시문 2-2

(가) a>0, a≠1\displaystyle a>0,\ a\ne1일 때, 양수 N\displaystyle N에 대하여 ax=N\displaystyle a^x=N을 만족시키는 실수 x\displaystyle x를log⁡aN\displaystyle \log_aN으로 나타내고, a\displaystyle a를 밑으로 하는 N\displaystyle N의 로그라고 한다.

(나) 좌표평면에서 시초선을 원점 O에서 x\displaystyle x축의 양의 방향으로 잡을 때, 각 θ\displaystyle \theta를 나타내는 동경과 원점 O를 중심으로 하고 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원의 교점을 P(x,y)\displaystyle \mathrm P(x,y)라고 하면sin⁡θ=yr,cos⁡θ=xr,tan⁡θ=yx(x≠0)\displaystyle \sin\theta=\frac yr,\quad\cos\theta=\frac xr,\quad\tan\theta=\frac yx\quad(x\ne0)이다.이 함수들을 통틀어 일반각 θ\displaystyle \theta에 대한 삼각함수라고 한다.

[문제 2-2] (15점)다음 부등식을 만족시키는 네 자리의 자연수 n\displaystyle n은 모두 몇 개인지 구하고 풀이 과정을 쓰시오.5<(log⁡2n)sin⁡nπ6<6\displaystyle 5<(\log_2n)\sin\frac{n\pi}6<6

제시문 2-3

(가) 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0일 때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=a, x=b\displaystyle x=a,\ x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는S=∫abf(x)dx\displaystyle S=\int_a^bf(x)dx

(나) 그림에서 곡선 y=1−x2 (−1≤x≤1)\displaystyle y=1-x^2\ (-1\le x\le1) 위에 점 A(−1,0)\displaystyle \mathrm A(-1,0)와 서로 다른 두 점 P, Q가 있다.직선 AP와 직선 AQ의 기울기가 각각 m\displaystyle m과 2m\displaystyle 2m이다. (단, 0<m<1\displaystyle 0<m<1)두 점 P, Q 사이의 곡선 부분과 선분 AP, 선분 AQ로 둘러싸인 도형의 넓이가 f(m)\displaystyle f(m)이다.

포물선 위의 P와 Q 및 점 A와 잇는 두 선분

[문제 2-3] (20점)(나) 에서 f(m)\displaystyle f(m)이 최댓값을 가질 때 m\displaystyle m의 값을 구하고 풀이 과정을 쓰시오.

해설강의 준비중

[문제 2-1] 정답: (1) 1, (2) 31010\displaystyle \frac{3\sqrt{10}}{10}

[풀이](1) kx−5=(x−3)2+2\displaystyle kx-5=(x-3)^2+2가 x≥3\displaystyle x\ge3일 때 실근을 가져야 한다.정리하면 x2−(k+6)x+16=0\displaystyle x^2-(k+6)x+16=0이고, 판별식 D=(k+6)2−4×1×16=k2+12k−28≥0\displaystyle D=(k+6)^2-4\times1\times16=k^2+12k-28\ge0이어야 하므로 k≤−14\displaystyle k\le-14 또는 k≥2\displaystyle k\ge2이다. x≥3\displaystyle x\ge3일 때 실근을 가지므로 k≥2\displaystyle k\ge2이고 따라서 a=2\displaystyle a=2이다.곡선 C2\displaystyle C_2는 곡선 C1\displaystyle C_1을 원점에 대칭이동한 것이므로 방정식은 y=−(x+3)2−2 (x≤−3)\displaystyle y=-(x+3)^2-2\ (x\le-3)이다. kx−5=−(x+3)2−2\displaystyle kx-5=-(x+3)^2-2가 x≤−3\displaystyle x\le-3일 때 실근을 가져야 한다. 직선 ℓ\displaystyle \ell은 기울기가 k\displaystyle k이고 점 (0,−5)\displaystyle (0,-5)를 지나는 직선이므로, k\displaystyle k는 곡선 C2\displaystyle C_2의 꼭짓점 (−3,−2)\displaystyle (-3,-2)와 점 (0,−5)\displaystyle (0,-5)를 지나는 직선의 기울기보다 크거나 같아야 한다. 따라서 b=(−5)−(−2)0−(−3)=−1\displaystyle b=\frac{(-5)-(-2)}{0-(-3)}=-1이다.따라서 a+b=2+(−1)=1\displaystyle a+b=2+(-1)=1이다.

(2) 점 P는 직선 y=2x−5\displaystyle y=2x-5와 y\displaystyle y축의 교점이므로 좌표는 (0,−5)\displaystyle (0,-5)이다. 2x−5=(x−3)2+2\displaystyle 2x-5=(x-3)^2+2를 풀면 x=4\displaystyle x=4이고, 따라서 점 A의 좌표는 (4,3)\displaystyle (4,3)이다. 점 B는 곡선 C2\displaystyle C_2의 꼭짓점 (−3,−2)\displaystyle (-3,-2)이다. 따라서,AB‾=72+52=74,AP‾=42+82=45,BP‾=32+32=32\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\sqrt{7^2+5^2}=\sqrt{74},\quad\overline{\mathrm{AP}}=\sqrt{4^2+8^2}=4\sqrt5,\quad\overline{\mathrm{BP}}=\sqrt{3^2+3^2}=3\sqrt2코사인법칙을 이용하면cos⁡θ=18+80−742×32×45=110\displaystyle \cos\theta=\frac{18+80-74}{2\times3\sqrt2\times4\sqrt5}=\frac1{\sqrt{10}}sin⁡θ=1−cos⁡2θ=1−110=310=31010\displaystyle \sin\theta=\sqrt{1-\cos^2\theta}=\sqrt{1-\frac1{10}}=\frac3{\sqrt{10}}=\frac{3\sqrt{10}}{10}

곡선 C1과 C2 및 두 직선과 점 A, B, P

[문제 2-2] 정답: 512개

[풀이] n≥1000\displaystyle n\ge1000이므로 log⁡2n>log⁡2512=9\displaystyle \log_2n>\log_2512=9이다. 따라서 log⁡2n\displaystyle \log_2n은 양수이고 5<(log⁡2n)sin⁡nπ6<6\displaystyle 5<(\log_2n)\sin\frac{n\pi}6<6이므로 sin⁡nπ6\displaystyle \sin\frac{n\pi}6도 양수이다. 또한 sin⁡nπ6<6log⁡2n<69\displaystyle \sin\frac{n\pi}6<\frac6{\log_2n}<\frac69이고, sin⁡nπ6\displaystyle \sin\frac{n\pi}6가 될 수 있는 양수 12, 32, 1\displaystyle \frac12,\ \frac{\sqrt3}2,\ 1 중에서 이 부등식을 만족시키는 것은 12\displaystyle \frac12뿐이다.따라서 sin⁡nπ6=12\displaystyle \sin\frac{n\pi}6=\frac12이어야 한다.이때 5<log⁡2n×12<6\displaystyle 5<\log_2n\times\frac12<6으로부터 210=1024<n<212=4096\displaystyle 2^{10}=1024<n<2^{12}=4096을 얻는다.0≤θ<2π\displaystyle 0\le\theta<2\pi일 때 sin⁡θ=12\displaystyle \sin\theta=\frac12이면 θ=π6, 5π6\displaystyle \theta=\frac\pi6,\ \frac{5\pi}6이다.따라서 sin⁡nπ6=12\displaystyle \sin\frac{n\pi}6=\frac12인 자연수 n\displaystyle n은 n=1,13,25, ⋯\displaystyle n=1,13,25,\ \cdots 또는 n=5,17,29, ⋯\displaystyle n=5,17,29,\ \cdots이다.이 중 1024<n<4096\displaystyle 1024<n<4096을 만족시키는 n\displaystyle n은1033=12×86+1,1045=12×87+1,⋯ ,4093=12×341+1\displaystyle 1033=12\times86+1,1045=12\times87+1,\cdots,4093=12\times341+1의 256개와1025=12×85+5,1037=12×86+5,⋯ ,4085=12×340+5\displaystyle 1025=12\times85+5,1037=12\times86+5,\cdots,4085=12\times340+5의 256개이다.따라서 답은 256+256=512\displaystyle 256+256=512개다.

[문제 2-3] 정답: m=6−227\displaystyle m=\frac{6-2\sqrt2}7

[풀이] 직선 AP, AQ의 방정식은 각각 y=m(x+1), y=2m(x+1)\displaystyle y=m(x+1),\ y=2m(x+1)이다.y=1−x2\displaystyle y=1-x^2과 연립하여 풀면 P, Q의 좌표는 P(1−m,m(2−m)),Q(1−2m,2m(2−2m))\displaystyle \mathrm P(1-m,m(2-m)),\mathrm Q(1-2m,2m(2-2m))이다.점 P, Q에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 P1,Q1\displaystyle \mathrm P_1,\mathrm Q_1이라 하면, f(m)\displaystyle f(m)은 정적분 ∫1−2m1−m(1−x2)dx\displaystyle \int_{1-2m}^{1-m}(1-x^2)dx의 값과 삼각형 AQQ1\displaystyle \mathrm{AQQ}_1의 넓이를 합해서 삼각형 APP1\displaystyle \mathrm{APP}_1의 넓이를 뺀 값이다.삼각형 APP1\displaystyle \mathrm{APP}_1의 넓이는 12AP1‾×PP1‾=12(2−m)×m(2−m)=12m(2−m)2\displaystyle \frac12\overline{\mathrm{AP}_1}\times\overline{\mathrm{PP}_1}=\frac12(2-m)\times m(2-m)=\frac12m(2-m)^2.삼각형 AQQ1\displaystyle \mathrm{AQQ}_1의 넓이는 12AQ1‾×QQ1‾=12(2−2m)×2m(2−2m)=4m(1−m)2\displaystyle \frac12\overline{\mathrm{AQ}_1}\times\overline{\mathrm{QQ}_1}=\frac12(2-2m)\times2m(2-2m)=4m(1-m)^2.정적분의 값은 ∫1−2m1−m(1−x2)dx=[x−13x3]1−2m1−m=3m2−73m3\displaystyle \int_{1-2m}^{1-m}(1-x^2)dx=\Biggl[x-\frac13x^3\Biggr]_{1-2m}^{1-m}=3m^2-\frac73m^3따라서f(m)=3m2−73m3+4m(1−m)2−12m(2−m)2=76m3−3m2+2m\displaystyle f(m)=3m^2-\frac73m^3+4m(1-m)^2-\frac12m(2-m)^2=\frac76m^3-3m^2+2mf′(m)=72m2−6m+2\displaystyle f^{\prime}(m)=\frac72m^2-6m+2f′(m)=0\displaystyle f^{\prime}(m)=0일 때 7m2−12m+4=0\displaystyle 7m^2-12m+4=0이므로 m=6±227\displaystyle m=\frac{6\pm2\sqrt2}7이다.도함수 f′(m)\displaystyle f^{\prime}(m)의 부호를 이용하여 함수 f(m)\displaystyle f(m)의 증가와 감소를 고려하면 m=6−227\displaystyle m=\frac{6-2\sqrt2}7일 때 f(m)\displaystyle f(m)이 최대이다.

점 P와 Q에서 x축에 내린 수선의 발 P1과 Q1
하위 문항채점 기준배점
문제 2-1번A+: 답과 풀이가 맞음 A: 풀이가 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음 B+: a+b=1\displaystyle a+b=1을 맞게 구함. 그리고, AB‾,AP‾,BP‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}},\overline{\mathrm{AP}},\overline{\mathrm{BP}}를 맞게 구함 B: a+b=1\displaystyle a+b=1을 맞게 구함 C: a=2\displaystyle a=2 또는 b=−1\displaystyle b=-1을 맞게 구함 D: 풀이와 관계있는 의미 있는 시도를 함 F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음15점
문제 2-2번A+: 답과 풀이가 맞음 A: 풀이가 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음 B+: B단계의 풀이로부터 n=1,13,25, ⋯\displaystyle n=1,13,25,\ \cdots 또는 n=5,17,29, ⋯\displaystyle n=5,17,29,\ \cdots을 구함 B: 삼각함수의 값 sin⁡nπ6=12\displaystyle \sin\frac{n\pi}6=\frac12을 구하고, 이와 함께 n\displaystyle n의 범위 210<n<212\displaystyle 2^{10}<n<2^{12}를 구함 C: 삼각함수의 값 sin⁡nπ6=12\displaystyle \sin\frac{n\pi}6=\frac12을 구하거나 또는 n\displaystyle n의 범위 210<n<212\displaystyle 2^{10}<n<2^{12}를 구함 D: 풀이와 관계있는 의미 있는 시도를 함 F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음15점
문제 2-3번A+: 답과 풀이가 맞음 A: 풀이가 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음 B+: f(m)\displaystyle f(m)과 f′(m)\displaystyle f^{\prime}(m)을 정확히 구함 B: 삼각형 APP1\displaystyle \mathrm{APP}_1과 AQQ1\displaystyle \mathrm{AQQ}_1의 넓이를 정확히 계산하거나 1−x2\displaystyle 1-x^2의 정적분을 정확히 계산함 C: 점 P와 점 Q의 좌표를 m\displaystyle m으로 나타냄 D: 풀이와 관계있는 의미 있는 시도를 함 F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음20점

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