수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · [1]

[1] 주어진 <그림 1> 의 CHP\displaystyle \triangle CHP 에서 tanα\displaystyle {\tan } \alpha는 접선의 기울기와 같고 도함수 dydx\displaystyle \frac{dy }{dx}는 접선의 기울기이다. 그런데 매개 변수 t\displaystyle t로 나타내어진 두 변수 x,y\displaystyle x, y가 나타내는 곡선 위의 접선의 기울기는 제시문의 식 (2)에 의하면 dydx=g(t)f(t)\displaystyle \frac{dy}{dx} = \frac{g ^{\prime}(t)}{f ^{\prime}(t)}이므로 다음을 얻는다.

tanα=g(t)f(t)\displaystyle \tan \alpha = \frac{g ^{\prime} (t)}{f ^{\prime} (t)}, f(t)0\displaystyle f ^{\prime}(t) \ne 0

+12점 · [2]

[2] 문항 [1]에서 구한 방정식의 양변을 제시문의 음함수의 미분법과 합성함수의 미분법을 이용하여 매개 변수 t\displaystyle t에 관해 미분하면 다음을 얻는다.

sec2α dαdt=ddt(g(t)f(t))\displaystyle \sec ^{2 } \alpha ~ \frac{d \alpha }{dt} = \frac{d}{dt} \left( \frac{g ^{\prime}(t)}{f ^{\prime}(t) }\right)

이를 정리하면 다음 식을 얻는다.

dαdt=ddt(g(t)f(t))cos2α\displaystyle \frac{d \alpha }{dt} = \frac{d}{dt} \left ( \frac{g ^{\prime} (t)}{f ^{\prime} (t)} \right ) \cos ^{2} \alpha

도함수 f prime, g prime과 각 알파의 관계를 나타낸 삼각형
<그림 2>

한편 문항 [1]에서 tanα=g(t)f(t)\displaystyle \tan \alpha = \frac{g ^{\prime} (t)}{f ^{\prime}(t)}이므로 우측의 <그림 2>의 삼각형을 참조하여 다음을 얻는다.

cosα=f(t){f(t)}2+{g(t)}2\displaystyle \cos \alpha = \frac{f ^{\prime} (t)}{\sqrt {\left\{ f ^{\prime} (t) \right\} ^{2} + \left\{ g ^{\prime} (t) \right\} ^{2} }}

또한 몫의 미분법으로부터 다음을 얻는다.

ddt(g(t)f(t))=g(t)f(t)g(t)f(t){f(t)}2\displaystyle \frac{d}{dt}\left(\frac{g^{\prime}(t)}{f^{\prime}(t)}\right)=\frac{g^{\prime\prime}(t)f^{\prime}(t)-g^{\prime}(t)f^{\prime\prime}(t)}{\{f^{\prime}(t)\}^2}

이제 식 ①에 식 ②와 ③을 대입하여 다음을 얻는다.

dαdt=g(t)f(t)g(t)f(t){f(t)}2+{g(t)}2\displaystyle \frac{d\alpha}{dt}=\frac{g^{\prime\prime}(t)f^{\prime}(t)-g^{\prime}(t)f^{\prime\prime}(t)}{\{f^{\prime}(t)\}^2+\{g^{\prime}(t)\}^2}

+10점 · [3]

[3] 제시문의 식 (3)에서 s(t)=at{f(u)}2+{g(u)}2du\displaystyle s(t) = \int _{a} ^{t} {} \sqrt {\left\{ f ^{\prime} (u) \right\} ^{2} + \left\{ g ^{\prime} (u) \right\} ^{2}} du 이므로 다음을 얻는다.

dsdt={f(t)}2+{g(t)}2\displaystyle \frac{ds}{dt} = \sqrt {\left\{ f ^{\prime} (t) \right\} ^{2} + \left\{ g ^{\prime} (t) \right\} ^{2}}

이때 f(t)0\displaystyle f ^{\prime} (t) \ne 0이므로 dsdt0\displaystyle \frac{ds}{dt} \ne 0이며, 제시문의 식 (2)에 의해 매개 변수 t\displaystyle t로 나타내어진 두 함수 α, s\displaystyle \alpha ,~ s에 대하여 다음을 얻는다.

dαds=dαdtdsdt\displaystyle \frac{d \alpha }{ds} = \frac{\frac{d \alpha }{dt}}{\frac{ds}{dt}}

따라서 dαdt\displaystyle \frac{d \alpha }{dt}에 대한 문항 [2]의 결과인 식 ④와 dsdt\displaystyle \frac{ds}{dt}에 관한 식 ⑤를 식 ⑥에 대입하여 다음을 얻는다.

dαds=g(t)f(t)g(t)f(t){{f(t)}2+{g(t)}2}3\displaystyle \frac{d\alpha}{ds}=\frac{g^{\prime\prime}(t)f^{\prime}(t)-g^{\prime}(t)f^{\prime\prime}(t)}{\left\{\sqrt{\{f^{\prime}(t)\}^2+\{g^{\prime}(t)\}^2}\right\}^3}

+4점 · [4] (a)

[4] (a) 자명하게 x(t)=f(t)=t, y(t)=g(t)=at+b,<t<\displaystyle x(t)=f(t)=t,~y(t)=g(t)=at+b, -\infty < t < \infty 는 직선의 매개 변수 함수이다.

+4점 · [4] (b)

(b) f(t)=10\displaystyle f^{\prime}(t)=1\ne0이고 f(t)=g(t)=0\displaystyle f^{\prime\prime}(t)=g^{\prime\prime}(t)=0이므로 식 ⑦로부터 다음을 얻는다.

κ=0\displaystyle \kappa =0

(※ 매개 함수를 위의 것과 다르게 표현할 수도 있다. 그러나 κ\displaystyle \kappa 는 변하지 않는다.)

+5점 · [5] (a)

[5] (a) <그림 3>을 참조하면 xp=rcost, yq=rsint\displaystyle x-p=r {\cos } t,~y-q=r {\sin }t이므로 원은 다음의 매개 변수 t\displaystyle t로 나타내어진 함수이다.

중심 C(p,q), 반지름 r인 원과 매개변수 t
<그림 3>

x(t)=p+rcost, y(t)=q+rsint, 0t<2π\displaystyle x(t)=p+r {\cos }t,~y(t)=q+r {\sin } t,~0 \le t<2 \pi

+5점 · [5] (b)

(b) 이제 f(t)=x(t),g(t)=y(t)\displaystyle f(t)= x(t), g(t)=y(t)라고 하면 f(t)=rsint\displaystyle f ^{\prime} (t)=-r {\sin } t,

g(t)=rcost\displaystyle g^{\prime}(t)=r\cos t, f(t)=rcost\displaystyle f^{\prime\prime}(t)=-r\cos t, g(t)=rsint\displaystyle g^{\prime\prime}(t)=-r\sin t이다.

이들을 문항 [3]에서 얻은 dαds\displaystyle \frac{d \alpha }{ds}의 식 ⑦에 대입하고 항등식

cos2t+sin2t=1\displaystyle {\cos } ^{2} t+{\sin } ^{2} t=1을 이용하여 다음을 얻는다.

κ=dαdsg(t)f(t)g(t)f(t){{f(t)}2+{g(t)}2}3=r2sin2t+r2cos2t{r2sin2t+r2cos2t}3=r2r3=1r, r>0\displaystyle \begin{aligned}\kappa=\left|\frac{d\alpha}{ds}\right|&\equiv \frac{|g^{\prime\prime}(t)f^{\prime}(t)-g^{\prime}(t)f^{\prime\prime}(t)|}{\left\{\sqrt{\{f^{\prime}(t)\}^2+\{g^{\prime}(t)\}^2}\right\}^3}\\&=\frac{|r^2\sin^2t+r^2\cos^2t|}{\left\{\sqrt{r^2\sin^2t+r^2\cos^2t}\right\}^3}=\frac{r^2}{r^3}=\frac1r,~r>0\end{aligned}

따라서 구하는 답은 다음과 같다.

κ=1r, r>0\displaystyle \kappa = \frac{1}{r},~ r >0

(※ 매개 함수를 위의 것과 다르게 표현할 수도 있다. 그러나 κ\displaystyle \kappa 는 변하지 않는다.)

답안에 드러난 문제에 대한 이해도, 풀이의 완성도와 (수리적 계산과 논리 전개의) 정확도 등을 기준으로 <풀이 예시>를 참고하여 세부 배점에 관한 기준을 만들어 채점에 활용. 학생들의 풀이에서 필요한 함수들의 조건을 만족시키는지에 관한 언급 여부는 채점에 되도록 반영하지 않기 바람.

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