수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

통합계열 2번

문제

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해설강의 준비중

[문제 2-1] 정답: a=600\displaystyle a=600, b=300\displaystyle b=300, c=200\displaystyle c=200

[풀이] 100초가 지났을 때 처음 양의 110\displaystyle \frac{1}{10}이 되므로, r100=110\displaystyle r^{100}=\frac{1}{10}이고, 따라서 logr=1100\displaystyle \log r=-\frac{1}{100}이다. 조건으로부터rt1=120,rt2=130,rt3=140,rt4=150,rt5=160.\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}.

rt1=120\displaystyle r^{t_{1}}=\frac{1}{20}에서 t1logr=log120=log20\displaystyle t_{1}\log r=\log\frac{1}{20}=-\log 20이고 t1=log20logr=100log20\displaystyle t_{1}=\frac{-\log 20}{\log r}=100\log 20이다.

비슷하게 t2=100log30\displaystyle t_{2}=100\log 30, t3=100log40\displaystyle t_{3}=100\log 40, t4=100log50\displaystyle t_{4}=100\log 50, t5=100log60\displaystyle t_{5}=100\log 60이므로k=15tk=100(log20+log30+log40+log50+log60)=100log(20×30×40×50×60)=100log(106×23×32)=600+300log2+200log3\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}

따라서 a=600\displaystyle a=600, b=300\displaystyle b=300, c=200\displaystyle c=200이다.

[문제 2-2] 정답: 12<a<2\displaystyle \dfrac{1}{2}<a<2

[풀이] 두 점이 같은 위치에 있는 시각을 x\displaystyle x라 하면, 0xt(t1)(ta)dt=0\displaystyle \int_{0}^{x} t(t-1)(t-a)dt=0이 성립한다. 즉,14x4a+13x3+12ax2=x2(14x2a+13x+12a)=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.

출발한 이후에는 점 P\displaystyle \mathrm{P}와 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}가 같은 위치에 있는 순간이 발생하지 않을 조건은 이차방정식14x2a+13x+12a=0\displaystyle \frac{1}{4}x^{2}-\frac{a+1}{3}x+\frac{1}{2}a=0x>0\displaystyle x>0인 범위에서 해가 없을 조건과 같다. 문제의 조건에서 a>0\displaystyle a>0이므로 이차함수 f(x)=14x2a+13x+12a\displaystyle f(x)=\frac{1}{4}x^{2}-\frac{a+1}{3}x+\frac{1}{2}a의 그래프의 축이 y\displaystyle y축의 오른쪽에 있다.

따라서 이차함수의 그래프가 x\displaystyle x축과 만나지 않을 조건을 구하면 된다. 즉, 판별식에 대한 다음 조건을 풀면 된다.D=(a+13)212a=118(2a1)(a2)<0\displaystyle D=\left(\frac{a+1}{3}\right)^{2}-\frac{1}{2}a=\frac{1}{18}(2a-1)(a-2)<0

이 부등식을 문제에서 주어진 조건 a>0\displaystyle a>0과 함께 고려하면 구하는 답은 12<a<2\displaystyle \frac{1}{2}<a<2이다.

[문제 2-3] 정답: 2558\displaystyle \dfrac{25\sqrt{5}}{8}

[풀이] 함수 f(x)=12x2+1 (x0)\displaystyle f(x)=\frac{1}{2}x^{2}+1\ (x\ge 0)와 함수 g(x)=2x2 (x1)\displaystyle g(x)=\sqrt{2x-2}\ (x\ge 1)는 서로 역함수이므로 점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}와 점 D\displaystyle \mathrm{D}, C\displaystyle \mathrm{C}는 직선 y=x\displaystyle y=x에 대칭이다. 점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}x\displaystyle x좌표를 각각 a\displaystyle a, b\displaystyle b라 하면 네 점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}, D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표는 아래와 같다.A(a,12a2+1), B(b,12b2+1), C(12b2+1,b), D(12a2+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)

곡선 C1\displaystyle C_{1}의 점 A\displaystyle \mathrm{A}에서의 접선의 기울기는 a\displaystyle a이고 점 B\displaystyle \mathrm{B}에서의 접선의 기울기는 b\displaystyle b이다. 곡선 C1\displaystyle C_{1}의 점 B\displaystyle \mathrm{B}에서의 접선과 곡선 C2\displaystyle C_{2}의 점 C\displaystyle \mathrm{C}에서의 접선이 직선 y=x\displaystyle y=x에 대하여 대칭이므로, 곡선 C2\displaystyle C_{2}의 점 C\displaystyle \mathrm{C}에서의 접선의 기울기는 1b\displaystyle \frac{1}{b}이다.

따라서 곡선 C1\displaystyle C_{1}의 점 A\displaystyle \mathrm{A}에서의 접선의 방정식과 곡선 C2\displaystyle C_{2}의 점 C\displaystyle \mathrm{C}에서의 접선의 방정식은 각각 아래와 같다.y(12a2+1)=a(xa),yb=1b(x12b21)\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)각각의 방정식을 정리하면y=ax12a2+1,y=1bx+b21b.\displaystyle y=ax-\frac{1}{2}a^{2}+1,\qquad y=\frac{1}{b}x+\frac{b}{2}-\frac{1}{b}.

두 접선이 동일한 직선이므로 a=1b\displaystyle a=\frac{1}{b}이고 12a2+1=b21b\displaystyle -\frac{1}{2}a^{2}+1=\frac{b}{2}-\frac{1}{b}이다. 두 식을 연립하면 12a2+1=12aa\displaystyle -\frac{1}{2}a^{2}+1=\frac{1}{2a}-a에서a32a22a+1=(a+1)(a23a+1)=0\displaystyle a^{3}-2a^{2}-2a+1=(a+1)\left(a^{2}-3a+1\right)=0이므로 a=1, 3±52\displaystyle a=-1,\ \frac{3\pm\sqrt{5}}{2}이다. a>0\displaystyle a>0이고 a<b=1a\displaystyle a<b=\frac{1}{a}이므로 a2<1\displaystyle a^{2}<1이고 0<a<1\displaystyle 0<a<1이다. 따라서a=352, b=1a=3+52, 12a2+1=11354, 12b2+1=11+354\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}이고 네 점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}, D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표는A(352,11354), B(3+52,11+354), C(11+354,3+52), D(11354,352).\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).

직선 AD\displaystyle \mathrm{AD}와 직선 BC\displaystyle \mathrm{BC}는 모두 기울기가 1\displaystyle -1이므로 평행하다. 따라서 사각형 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}는 한 쌍의 대변이 평행하므로 사다리꼴이다.직선 AD\displaystyle \mathrm{AD}와 직선 BC\displaystyle \mathrm{BC} 사이의 거리를 d\displaystyle d라 하면 사다리꼴 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}의 넓이는12×d×(AD+BC).\displaystyle \frac{1}{2}\times d\times\left(\overline{\mathrm{AD}}+\overline{\mathrm{BC}}\right).

AD=(11354352)2+(35211354)2=(554)2+(5+54)2=554×2\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}이다.

같은 방법으로 BC=5+54×2\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=\frac{5+\sqrt{5}}{4}\times\sqrt{2}이다. 따라서 AD+BC=522\displaystyle \overline{\mathrm{AD}}+\overline{\mathrm{BC}}=\frac{5\sqrt{2}}{2}이다.

직선 AD\displaystyle \mathrm{AD}와 직선 BC\displaystyle \mathrm{BC} 사이의 거리 d\displaystyle d는 점 A(352,11354)\displaystyle \mathrm{A}\left(\frac{3-\sqrt{5}}{2},\frac{11-3\sqrt{5}}{4}\right)에서 직선 BC\displaystyle \mathrm{BC}에 이르는 거리이다.직선 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 방정식이 x+y17+554=0\displaystyle x+y-\frac{17+5\sqrt{5}}{4}=0이므로d=352+1135417+55412+12=12×1054=5522.\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}}.

사다리꼴 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}의 넓이는12×d×(AD+BC)=12×5522×522=2558.\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}.

하위 문항채점 기준배점
2-1번A+: 답과 풀이가 맞음 A: 풀이가 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음 B+: t1\displaystyle t_{1}, t2\displaystyle t_{2}, t3\displaystyle t_{3}, t4\displaystyle t_{4}, t5\displaystyle t_{5}를 맞게 구함 B: t1=100log20\displaystyle t_{1}=100\log 20을 구함 C: logr=1100\displaystyle \log r=-\frac{1}{100}을 구함 D: 풀이와 관계있는 의미 있는 시도를 함 F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음13점
2-2번A+: 답과 풀이가 맞음 A: 풀이가 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음 B+: 이차방정식 또는 이차함수의 판별식에 대한 조건을 기술함 B: 문제의 조건을 이차방정식 14x2a+13x+12a=0\displaystyle \frac{1}{4}x^{2}-\frac{a+1}{3}x+\frac{1}{2}a=0의 해에 대한 조건으로 기술하고 이를 이차함수 f(x)=14x2a+13x+12a\displaystyle f(x)=\frac{1}{4}x^{2}-\frac{a+1}{3}x+\frac{1}{2}a의 그래프와 연결하여 설명함 C: 적분을 이용하여 방정식 14x4a+13x3+12ax2=0\displaystyle \frac{1}{4}x^{4}-\frac{a+1}{3}x^{3}+\frac{1}{2}ax^{2}=0을 구함 D: 풀이와 관계있는 의미 있는 시도를 함 F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음17점
2-3번A+: 답과 풀이가 맞음 A: 풀이가 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음 B+: 네 점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}, D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표를 모두 구함 B: 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 점 C\displaystyle \mathrm{C}에서의 접선이 일치할 조건을 다항식으로 기술하고 점 A\displaystyle \mathrm{A}의 좌표를 구함 C: 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수임을 이용하여 점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}, D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표를 간단하게 기술함 D: 풀이와 관계있는 의미 있는 시도를 함 F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음20점

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