[문제 2-1] 정답: a = 600 \displaystyle a=600 a = 600 , b = 300 \displaystyle b=300 b = 300 , c = 200 \displaystyle c=200 c = 200
[풀이] 100초가 지났을 때 처음 양의 1 10 \displaystyle \frac{1}{10} 10 1 이 되므로, r 100 = 1 10 \displaystyle r^{100}=\frac{1}{10} r 100 = 10 1 이고, 따라서 log r = − 1 100 \displaystyle \log r=-\frac{1}{100} log r = − 100 1 이다. 조건으로부터 r t 1 = 1 20 , r t 2 = 1 30 , r t 3 = 1 40 , r t 4 = 1 50 , r t 5 = 1 60 . \displaystyle r^{t_{1}}=\frac{1}{20},\quad r^{t_{2}}=\frac{1}{30},\quad r^{t_{3}}=\frac{1}{40},\quad r^{t_{4}}=\frac{1}{50},\quad r^{t_{5}}=\frac{1}{60}. r t 1 = 20 1 , r t 2 = 30 1 , r t 3 = 40 1 , r t 4 = 50 1 , r t 5 = 60 1 .
r t 1 = 1 20 \displaystyle r^{t_{1}}=\frac{1}{20} r t 1 = 20 1 에서 t 1 log r = log 1 20 = − log 20 \displaystyle t_{1}\log r=\log\frac{1}{20}=-\log 20 t 1 log r = log 20 1 = − log 20 이고 t 1 = − log 20 log r = 100 log 20 \displaystyle t_{1}=\frac{-\log 20}{\log r}=100\log 20 t 1 = log r − log 20 = 100 log 20 이다.
비슷하게 t 2 = 100 log 30 \displaystyle t_{2}=100\log 30 t 2 = 100 log 30 , t 3 = 100 log 40 \displaystyle t_{3}=100\log 40 t 3 = 100 log 40 , t 4 = 100 log 50 \displaystyle t_{4}=100\log 50 t 4 = 100 log 50 , t 5 = 100 log 60 \displaystyle t_{5}=100\log 60 t 5 = 100 log 60 이므로 ∑ k = 1 5 t k = 100 ( log 20 + log 30 + log 40 + log 50 + log 60 ) = 100 log ( 20 × 30 × 40 × 50 × 60 ) = 100 log ( 10 6 × 2 3 × 3 2 ) = 600 + 300 log 2 + 200 log 3 \displaystyle \begin{aligned} \sum_{k=1}^{5} t_{k} &=100(\log 20+\log 30+\log 40+\log 50+\log 60) \\ &=100\log(20\times 30\times 40\times 50\times 60) \\ &=100\log\left(10^{6}\times 2^{3}\times 3^{2}\right) \\ &=600+300\log 2+200\log 3 \end{aligned} k = 1 ∑ 5 t k = 100 ( log 20 + log 30 + log 40 + log 50 + log 60 ) = 100 log ( 20 × 30 × 40 × 50 × 60 ) = 100 log ( 1 0 6 × 2 3 × 3 2 ) = 600 + 300 log 2 + 200 log 3
따라서 a = 600 \displaystyle a=600 a = 600 , b = 300 \displaystyle b=300 b = 300 , c = 200 \displaystyle c=200 c = 200 이다.
[문제 2-2] 정답: 1 2 < a < 2 \displaystyle \dfrac{1}{2}<a<2 2 1 < a < 2
[풀이] 두 점이 같은 위치에 있는 시각을 x \displaystyle x x 라 하면, ∫ 0 x t ( t − 1 ) ( t − a ) d t = 0 \displaystyle \int_{0}^{x} t(t-1)(t-a)dt=0 ∫ 0 x t ( t − 1 ) ( t − a ) d t = 0 이 성립한다. 즉, 1 4 x 4 − a + 1 3 x 3 + 1 2 a x 2 = x 2 ( 1 4 x 2 − a + 1 3 x + 1 2 a ) = 0. \displaystyle \frac{1}{4}x^{4}-\frac{a+1}{3}x^{3}+\frac{1}{2}ax^{2}=x^{2}\left(\frac{1}{4}x^{2}-\frac{a+1}{3}x+\frac{1}{2}a\right)=0. 4 1 x 4 − 3 a + 1 x 3 + 2 1 a x 2 = x 2 ( 4 1 x 2 − 3 a + 1 x + 2 1 a ) = 0.
출발한 이후에는 점 P \displaystyle \mathrm{P} P 와 점 Q \displaystyle \mathrm{Q} Q 가 같은 위치에 있는 순간이 발생하지 않을 조건은 이차방정식 1 4 x 2 − a + 1 3 x + 1 2 a = 0 \displaystyle \frac{1}{4}x^{2}-\frac{a+1}{3}x+\frac{1}{2}a=0 4 1 x 2 − 3 a + 1 x + 2 1 a = 0 이 x > 0 \displaystyle x>0 x > 0 인 범위에서 해가 없을 조건과 같다. 문제의 조건에서 a > 0 \displaystyle a>0 a > 0 이므로 이차함수 f ( x ) = 1 4 x 2 − a + 1 3 x + 1 2 a \displaystyle f(x)=\frac{1}{4}x^{2}-\frac{a+1}{3}x+\frac{1}{2}a f ( x ) = 4 1 x 2 − 3 a + 1 x + 2 1 a 의 그래프의 축이 y \displaystyle y y 축의 오른쪽에 있다.
따라서 이차함수의 그래프가 x \displaystyle x x 축과 만나지 않을 조건을 구하면 된다. 즉, 판별식에 대한 다음 조건을 풀면 된다. D = ( a + 1 3 ) 2 − 1 2 a = 1 18 ( 2 a − 1 ) ( a − 2 ) < 0 \displaystyle D=\left(\frac{a+1}{3}\right)^{2}-\frac{1}{2}a=\frac{1}{18}(2a-1)(a-2)<0 D = ( 3 a + 1 ) 2 − 2 1 a = 18 1 ( 2 a − 1 ) ( a − 2 ) < 0
이 부등식을 문제에서 주어진 조건 a > 0 \displaystyle a>0 a > 0 과 함께 고려하면 구하는 답은 1 2 < a < 2 \displaystyle \frac{1}{2}<a<2 2 1 < a < 2 이다.
[문제 2-3] 정답: 25 5 8 \displaystyle \dfrac{25\sqrt{5}}{8} 8 25 5
[풀이] 함수 f ( x ) = 1 2 x 2 + 1 ( x ≥ 0 ) \displaystyle f(x)=\frac{1}{2}x^{2}+1\ (x\ge 0) f ( x ) = 2 1 x 2 + 1 ( x ≥ 0 ) 와 함수 g ( x ) = 2 x − 2 ( x ≥ 1 ) \displaystyle g(x)=\sqrt{2x-2}\ (x\ge 1) g ( x ) = 2 x − 2 ( x ≥ 1 ) 는 서로 역함수이므로 점 A \displaystyle \mathrm{A} A , B \displaystyle \mathrm{B} B 와 점 D \displaystyle \mathrm{D} D , C \displaystyle \mathrm{C} C 는 직선 y = x \displaystyle y=x y = x 에 대칭이다. 점 A \displaystyle \mathrm{A} A , B \displaystyle \mathrm{B} B 의 x \displaystyle x x 좌표를 각각 a \displaystyle a a , b \displaystyle b b 라 하면 네 점 A \displaystyle \mathrm{A} A , B \displaystyle \mathrm{B} B , C \displaystyle \mathrm{C} C , D \displaystyle \mathrm{D} D 의 좌표는 아래와 같다. A ( a , 1 2 a 2 + 1 ) , B ( b , 1 2 b 2 + 1 ) , C ( 1 2 b 2 + 1 , b ) , D ( 1 2 a 2 + 1 , a ) \displaystyle \mathrm{A}\left(a,\frac{1}{2}a^{2}+1\right),\ \mathrm{B}\left(b,\frac{1}{2}b^{2}+1\right),\ \mathrm{C}\left(\frac{1}{2}b^{2}+1,b\right),\ \mathrm{D}\left(\frac{1}{2}a^{2}+1,a\right) A ( a , 2 1 a 2 + 1 ) , B ( b , 2 1 b 2 + 1 ) , C ( 2 1 b 2 + 1 , b ) , D ( 2 1 a 2 + 1 , a )
곡선 C 1 \displaystyle C_{1} C 1 의 점 A \displaystyle \mathrm{A} A 에서의 접선의 기울기는 a \displaystyle a a 이고 점 B \displaystyle \mathrm{B} B 에서의 접선의 기울기는 b \displaystyle b b 이다. 곡선 C 1 \displaystyle C_{1} C 1 의 점 B \displaystyle \mathrm{B} B 에서의 접선과 곡선 C 2 \displaystyle C_{2} C 2 의 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 에서의 접선이 직선 y = x \displaystyle y=x y = x 에 대하여 대칭이므로, 곡선 C 2 \displaystyle C_{2} C 2 의 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 에서의 접선의 기울기는 1 b \displaystyle \frac{1}{b} b 1 이다.
따라서 곡선 C 1 \displaystyle C_{1} C 1 의 점 A \displaystyle \mathrm{A} A 에서의 접선의 방정식과 곡선 C 2 \displaystyle C_{2} C 2 의 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 에서의 접선의 방정식은 각각 아래와 같다. y − ( 1 2 a 2 + 1 ) = a ( x − a ) , y − b = 1 b ( x − 1 2 b 2 − 1 ) \displaystyle y-\left(\frac{1}{2}a^{2}+1\right)=a(x-a),\qquad y-b=\frac{1}{b}\left(x-\frac{1}{2}b^{2}-1\right) y − ( 2 1 a 2 + 1 ) = a ( x − a ) , y − b = b 1 ( x − 2 1 b 2 − 1 ) 각각의 방정식을 정리하면 y = a x − 1 2 a 2 + 1 , y = 1 b x + b 2 − 1 b . \displaystyle y=ax-\frac{1}{2}a^{2}+1,\qquad y=\frac{1}{b}x+\frac{b}{2}-\frac{1}{b}. y = a x − 2 1 a 2 + 1 , y = b 1 x + 2 b − b 1 .
두 접선이 동일한 직선이므로 a = 1 b \displaystyle a=\frac{1}{b} a = b 1 이고 − 1 2 a 2 + 1 = b 2 − 1 b \displaystyle -\frac{1}{2}a^{2}+1=\frac{b}{2}-\frac{1}{b} − 2 1 a 2 + 1 = 2 b − b 1 이다. 두 식을 연립하면 − 1 2 a 2 + 1 = 1 2 a − a \displaystyle -\frac{1}{2}a^{2}+1=\frac{1}{2a}-a − 2 1 a 2 + 1 = 2 a 1 − a 에서 a 3 − 2 a 2 − 2 a + 1 = ( a + 1 ) ( a 2 − 3 a + 1 ) = 0 \displaystyle a^{3}-2a^{2}-2a+1=(a+1)\left(a^{2}-3a+1\right)=0 a 3 − 2 a 2 − 2 a + 1 = ( a + 1 ) ( a 2 − 3 a + 1 ) = 0 이므로 a = − 1 , 3 ± 5 2 \displaystyle a=-1,\ \frac{3\pm\sqrt{5}}{2} a = − 1 , 2 3 ± 5 이다. a > 0 \displaystyle a>0 a > 0 이고 a < b = 1 a \displaystyle a<b=\frac{1}{a} a < b = a 1 이므로 a 2 < 1 \displaystyle a^{2}<1 a 2 < 1 이고 0 < a < 1 \displaystyle 0<a<1 0 < a < 1 이다. 따라서 a = 3 − 5 2 , b = 1 a = 3 + 5 2 , 1 2 a 2 + 1 = 11 − 3 5 4 , 1 2 b 2 + 1 = 11 + 3 5 4 \displaystyle a=\frac{3-\sqrt{5}}{2},\ b=\frac{1}{a}=\frac{3+\sqrt{5}}{2},\ \frac{1}{2}a^{2}+1=\frac{11-3\sqrt{5}}{4},\ \frac{1}{2}b^{2}+1=\frac{11+3\sqrt{5}}{4} a = 2 3 − 5 , b = a 1 = 2 3 + 5 , 2 1 a 2 + 1 = 4 11 − 3 5 , 2 1 b 2 + 1 = 4 11 + 3 5 이고 네 점 A \displaystyle \mathrm{A} A , B \displaystyle \mathrm{B} B , C \displaystyle \mathrm{C} C , D \displaystyle \mathrm{D} D 의 좌표는 A ( 3 − 5 2 , 11 − 3 5 4 ) , B ( 3 + 5 2 , 11 + 3 5 4 ) , C ( 11 + 3 5 4 , 3 + 5 2 ) , D ( 11 − 3 5 4 , 3 − 5 2 ) . \displaystyle \mathrm{A}\left(\frac{3-\sqrt{5}}{2},\frac{11-3\sqrt{5}}{4}\right),\ \mathrm{B}\left(\frac{3+\sqrt{5}}{2},\frac{11+3\sqrt{5}}{4}\right),\ \mathrm{C}\left(\frac{11+3\sqrt{5}}{4},\frac{3+\sqrt{5}}{2}\right),\ \mathrm{D}\left(\frac{11-3\sqrt{5}}{4},\frac{3-\sqrt{5}}{2}\right). A ( 2 3 − 5 , 4 11 − 3 5 ) , B ( 2 3 + 5 , 4 11 + 3 5 ) , C ( 4 11 + 3 5 , 2 3 + 5 ) , D ( 4 11 − 3 5 , 2 3 − 5 ) .
직선 A D \displaystyle \mathrm{AD} AD 와 직선 B C \displaystyle \mathrm{BC} BC 는 모두 기울기가 − 1 \displaystyle -1 − 1 이므로 평행하다. 따라서 사각형 A B C D \displaystyle \mathrm{ABCD} ABCD 는 한 쌍의 대변이 평행하므로 사다리꼴이다. 직선 A D \displaystyle \mathrm{AD} AD 와 직선 B C \displaystyle \mathrm{BC} BC 사이의 거리를 d \displaystyle d d 라 하면 사다리꼴 A B C D \displaystyle \mathrm{ABCD} ABCD 의 넓이는 1 2 × d × ( A D ‾ + B C ‾ ) . \displaystyle \frac{1}{2}\times d\times\left(\overline{\mathrm{AD}}+\overline{\mathrm{BC}}\right). 2 1 × d × ( AD + BC ) .
A D ‾ = ( 11 − 3 5 4 − 3 − 5 2 ) 2 + ( 3 − 5 2 − 11 − 3 5 4 ) 2 = ( 5 − 5 4 ) 2 + ( − 5 + 5 4 ) 2 = 5 − 5 4 × 2 \displaystyle \overline{\mathrm{AD}} =\sqrt{\left(\frac{11-3\sqrt{5}}{4}-\frac{3-\sqrt{5}}{2}\right)^{2}+\left(\frac{3-\sqrt{5}}{2}-\frac{11-3\sqrt{5}}{4}\right)^{2}} =\sqrt{\left(\frac{5-\sqrt{5}}{4}\right)^{2}+\left(\frac{-5+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}}=\frac{5-\sqrt{5}}{4}\times\sqrt{2} AD = ( 4 11 − 3 5 − 2 3 − 5 ) 2 + ( 2 3 − 5 − 4 11 − 3 5 ) 2 = ( 4 5 − 5 ) 2 + ( 4 − 5 + 5 ) 2 = 4 5 − 5 × 2 이다.
같은 방법으로 B C ‾ = 5 + 5 4 × 2 \displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=\frac{5+\sqrt{5}}{4}\times\sqrt{2} BC = 4 5 + 5 × 2 이다. 따라서 A D ‾ + B C ‾ = 5 2 2 \displaystyle \overline{\mathrm{AD}}+\overline{\mathrm{BC}}=\frac{5\sqrt{2}}{2} AD + BC = 2 5 2 이다.
직선 A D \displaystyle \mathrm{AD} AD 와 직선 B C \displaystyle \mathrm{BC} BC 사이의 거리 d \displaystyle d d 는 점 A ( 3 − 5 2 , 11 − 3 5 4 ) \displaystyle \mathrm{A}\left(\frac{3-\sqrt{5}}{2},\frac{11-3\sqrt{5}}{4}\right) A ( 2 3 − 5 , 4 11 − 3 5 ) 에서 직선 B C \displaystyle \mathrm{BC} BC 에 이르는 거리이다. 직선 B C \displaystyle \mathrm{BC} BC 의 방정식이 x + y − 17 + 5 5 4 = 0 \displaystyle x+y-\frac{17+5\sqrt{5}}{4}=0 x + y − 4 17 + 5 5 = 0 이므로 d = ∣ 3 − 5 2 + 11 − 3 5 4 − 17 + 5 5 4 ∣ 1 2 + 1 2 = 1 2 × 10 5 4 = 5 5 2 2 . \displaystyle d=\frac{\left|\frac{3-\sqrt{5}}{2}+\frac{11-3\sqrt{5}}{4}-\frac{17+5\sqrt{5}}{4}\right|}{\sqrt{1^{2}+1^{2}}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\times\frac{10\sqrt{5}}{4}=\frac{5\sqrt{5}}{2\sqrt{2}}. d = 1 2 + 1 2 2 3 − 5 + 4 11 − 3 5 − 4 17 + 5 5 = 2 1 × 4 10 5 = 2 2 5 5 .
사다리꼴 A B C D \displaystyle \mathrm{ABCD} ABCD 의 넓이는 1 2 × d × ( A D ‾ + B C ‾ ) = 1 2 × 5 5 2 2 × 5 2 2 = 25 5 8 . \displaystyle \frac{1}{2}\times d\times\left(\overline{\mathrm{AD}}+\overline{\mathrm{BC}}\right)=\frac{1}{2}\times\frac{5\sqrt{5}}{2\sqrt{2}}\times\frac{5\sqrt{2}}{2}=\frac{25\sqrt{5}}{8}. 2 1 × d × ( AD + BC ) = 2 1 × 2 2 5 5 × 2 5 2 = 8 25 5 .
하위 문항 채점 기준 배점 2-1번 A+: 답과 풀이가 맞음
A: 풀이가 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음
B+: t 1 \displaystyle t_{1} t 1 , t 2 \displaystyle t_{2} t 2 , t 3 \displaystyle t_{3} t 3 , t 4 \displaystyle t_{4} t 4 , t 5 \displaystyle t_{5} t 5 를 맞게 구함
B: t 1 = 100 log 20 \displaystyle t_{1}=100\log 20 t 1 = 100 log 20 을 구함
C: log r = − 1 100 \displaystyle \log r=-\frac{1}{100} log r = − 100 1 을 구함
D: 풀이와 관계있는 의미 있는 시도를 함
F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음 13점 2-2번 A+: 답과 풀이가 맞음
A: 풀이가 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음
B+: 이차방정식 또는 이차함수의 판별식에 대한 조건을 기술함
B: 문제의 조건을 이차방정식 1 4 x 2 − a + 1 3 x + 1 2 a = 0 \displaystyle \frac{1}{4}x^{2}-\frac{a+1}{3}x+\frac{1}{2}a=0 4 1 x 2 − 3 a + 1 x + 2 1 a = 0 의 해에 대한 조건으로 기술하고 이를 이차함수 f ( x ) = 1 4 x 2 − a + 1 3 x + 1 2 a \displaystyle f(x)=\frac{1}{4}x^{2}-\frac{a+1}{3}x+\frac{1}{2}a f ( x ) = 4 1 x 2 − 3 a + 1 x + 2 1 a 의 그래프와 연결하여 설명함
C: 적분을 이용하여 방정식 1 4 x 4 − a + 1 3 x 3 + 1 2 a x 2 = 0 \displaystyle \frac{1}{4}x^{4}-\frac{a+1}{3}x^{3}+\frac{1}{2}ax^{2}=0 4 1 x 4 − 3 a + 1 x 3 + 2 1 a x 2 = 0 을 구함
D: 풀이와 관계있는 의미 있는 시도를 함
F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음 17점 2-3번 A+: 답과 풀이가 맞음
A: 풀이가 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음
B+: 네 점 A \displaystyle \mathrm{A} A , B \displaystyle \mathrm{B} B , C \displaystyle \mathrm{C} C , D \displaystyle \mathrm{D} D 의 좌표를 모두 구함
B: 점 A \displaystyle \mathrm{A} A 와 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 에서의 접선이 일치할 조건을 다항식으로 기술하고 점 A \displaystyle \mathrm{A} A 의 좌표를 구함
C: 함수 g ( x ) \displaystyle g(x) g ( x ) 가 함수 f ( x ) \displaystyle f(x) f ( x ) 의 역함수임을 이용하여 점 A \displaystyle \mathrm{A} A , B \displaystyle \mathrm{B} B , C \displaystyle \mathrm{C} C , D \displaystyle \mathrm{D} D 의 좌표를 간단하게 기술함
D: 풀이와 관계있는 의미 있는 시도를 함
F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음 20점