수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

매개변수로 나타낸 함수의 미분법

관련 개념강의 준비중
+5점 · 매개변수 t\displaystyle t를 소거하여 이차도형의 방정식을 표현

[1]

cost=x2\displaystyle \cos t=\frac x{\sqrt2}, sint=y2\displaystyle \sin t=y-2이므로 cos2t+sin2t=1\displaystyle \cos^2t+\sin^2t=1에서

x22+(y2)2=1\displaystyle \frac{x^2}2+(y-2)^2=1

+3점 · 함수식을 이용하여 y\displaystyle y절편 2개를 모두 계산

y\displaystyle y축과 만나는 점은 x=0\displaystyle x=0에서

A(0, 3)\displaystyle \mathrm{A}(0,~3), B(0, 1)\displaystyle \mathrm{B}(0,~1)

대학 원본 타원과 두 절편
+6점 · 타원의 접선 방정식 구하여 접점의 좌표를 계산

[2] dxdt=2sint\displaystyle \frac{dx}{dt} = - \sqrt 2 \sin t, dydt=cost\displaystyle \frac{dy}{dt} = \cos t이므로

매개변수 함수의 미분공식에 의하여

dydx=dydtdxdt=cost2sint=22costsint\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{\frac{dy}{dt}}{\frac{dx}{dt}}=\frac{\cos t}{-\sqrt2\sin t}=-\frac{\sqrt2}2\frac{\cos t}{\sin t} (단, t0, tπ\displaystyle t\ne0,~t\ne\pi).

원점 O(0, 0)\displaystyle \mathrm{O}(0,~0)을 지나는 접선은 y=ax\displaystyle y=ax꼴이므로 접점에서의 t\displaystyle t값은

2+sint=22costsint2cost\displaystyle 2+ \sin t = - \frac{\sqrt 2}{2} \frac{\cos t}{\sin t}\cdot \sqrt 2 \cos t에서

t=7π6\displaystyle t= \frac{7\pi}6 또는 11π6\displaystyle \frac{11\pi}{6}

따라서 두 접점의 좌표는 C(62, 32)\displaystyle \mathrm{C} \left ( - \frac{\sqrt6}{2} ,~ \frac{3}{2} \right )D(62, 32)\displaystyle \mathrm{D} \left ( \frac{\sqrt 6}{2} ,~ \frac{3}{2} \right )

+4점 · 접점을 지나는 두 직선이 이루는 각을 계산

두 접선이 이루는 각의 코사인 값은 위치벡터 내적의 정의에 의하여

cosθ=OCODOCOD=(62)(62)+(32)(32)(62)2+(32)2(62)2+(32)2=15\displaystyle \cos\theta=\frac{\overrightarrow{\mathrm{OC}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OD}}}{|\overrightarrow{\mathrm{OC}}||\overrightarrow{\mathrm{OD}}|}=\frac{(-\frac{\sqrt6}2)(\frac{\sqrt6}2)+(\frac32)(\frac32)}{\sqrt{(-\frac{\sqrt6}2)^2+(\frac32)^2}\sqrt{(\frac{\sqrt6}2)^2+(\frac32)^2}}=\frac15

대학 원본 원점을 지나는 두 접선
+5점 · 순서와 관계없이 같은 것이 포함된 경우의 수 계산

[3]

도형은 네 점을 잇는 선분들에 의해

y\displaystyle y축에 대하여 대칭인 4\displaystyle 4개의 영역 a, b, c, d\displaystyle a,~b,~c,~d로 분할된다. 순서에 관계없이 2\displaystyle 2개를 선택하는 경우의 수는

8C2=8P22!=8×72×1=28\displaystyle {}_8\mathrm{C}_2=\frac{{}_8\mathrm{P}_2}{2!}=\frac{8\times7}{2\times1}=28

+3점 · 여사건의 경우의 수를 구하여 확률을 계산

선택된 두 영역이 y\displaystyle y축에 대하여 대칭인 경우는 4\displaystyle 4가지 경우뿐이므로

여사건의 확률에 의하여 두 영역이 대칭이 아닐 확률은

1428=67\displaystyle 1- \frac{4}{28} = \frac{6}{7}

대학 원본 타원 내부의 영역 분할
+6점 · 매개변수 t\displaystyle t를 이용하여 내접 도형의 넓이를 표현

[4] 내접 직사각형의 한 꼭짓점의 좌표를 (2cost, 2+sint)\displaystyle (\sqrt 2 \cos t ,~ 2+ \sin t )라고 하면 (단, 0<t<π2\displaystyle 0 <t< \frac\pi2)

직사각형의 가로 길이는 22cost\displaystyle 2\sqrt 2 \cos t이고 세로 길이는 2sint\displaystyle 2 \sin t가 된다.

따라서 넓이는 S(t)=42sintcost\displaystyle S(t) =4\sqrt 2 \sin t \cos t

대학 원본 타원에 내접하는 직사각형
+6점 · 이차함수의 증감을 이용하여 함수의 최댓값을 계산

Correction. 채점기준에서 ‘이차함수의 증감’이라고 쓴 부분은 S(t)=42sintcost\displaystyle S(t)=4\sqrt2\sin t\cos t의 증감을 가리킨다. 이 함수는 이차함수가 아니므로 해당 명칭은 잘못 적힌 것이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

넓이의 최댓값을 구하기 위해

S(t)=42(cos2tsin2t)=42(cost+sint)(costsint)\displaystyle S^{\prime}(t) =4\sqrt 2 (\cos ^{2} t -\sin ^{2} t)= 4\sqrt 2 (\cos t +\sin t ) (\cos t -\sin t )이므로 S(t)=0\displaystyle S^{\prime}(t)=0을 만족하는 t\displaystyle t (단, 0<t<π2\displaystyle 0<t< \frac\pi2)에서 함수의 증감은

대학 원본 직사각형 넓이의 증감표

S(π4)=42sin(π4)cos(π4)=22\displaystyle S \left ( \frac\pi4 \right )= 4 \sqrt 2 \sin \left ( \frac\pi4 \right ) \cos \left ( \frac\pi4 \right ) = 2\sqrt 2이므로

넓이 S(t)\displaystyle S(t)의 최댓값은 22\displaystyle 2\sqrt 2

+6점 · 세 점을 지나는 평면의 방정식을 표현

[5]

P(32, 1, 0)\displaystyle \mathrm{P} \left ( - \frac{\sqrt 3}{2} ,~ 1,~ 0 \right ), Q(32, 1, 0)\displaystyle \mathrm{Q} \left ( \frac{\sqrt 3}{2} ,~ 1 ,~ 0 \right )이므로

PQ=(3, 0, 0)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}} =(\sqrt 3 ,~ 0,~0)이고 PQ=3\displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{PQ}} | = \sqrt 3이다.

OR=(l, m, n)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}} =(l,~m,~n)라 하면

OPOR=32l+m=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OR}} = - \frac{\sqrt 3}{2} l + m = 0, OQOR=32l+m=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OR}} = \frac{\sqrt 3}{2} l +m =0

연립하면 l=m=0\displaystyle l= m=0이므로

구하는 위치벡터는 OR=(0, 0, 3)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}} =(0,~0,~\sqrt 3 )

평면의 방정식을 ax+by+cz+d=0\displaystyle ax +by +cz +d=0이라 하면

P(32, 1, 0)\displaystyle \mathrm{P} \left ( - \frac{\sqrt 3}{2} ,~1,~0 \right )을 지나므로 32a+b+d=0\displaystyle - \frac{\sqrt 3}{2} a +b+ d=0,

Q(32, 1, 0)\displaystyle \mathrm{Q} \left ( \frac{\sqrt 3}{2} ,~1,~0 \right )을 지나므로 32a+b+d=0\displaystyle \frac{\sqrt 3}{2} a + b+d=0이다.

R(0, 0, 3)\displaystyle \mathrm{R}(0,~0,~\sqrt 3 )을 지나므로 3c+d=0\displaystyle \sqrt 3 c +d =0이고 이들 식을 연립하여 a, b, c\displaystyle a,~b,~cd\displaystyle d로 나타내면 a=0\displaystyle a=0, b=d\displaystyle b=-d, c=33d\displaystyle c=- \frac{\sqrt 3}{3} d이므로 직선의 방정식은 dy33dz+d=0\displaystyle -dy - \frac{\sqrt3}{3} dz +d =0이다.Correction. 답안의 ‘직선의 방정식’은 문맥상 ‘평면의 방정식’의 오기이다. 해당 식은 세 점을 지나는 평면을 나타낸다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

d=0\displaystyle d=0이라면 a=b=c=0\displaystyle a=b=c=0이므로 이를 만족하는 평면이 존재하지 않는다.

d0\displaystyle d \ne 0일 때, 세 점 P, Q, R\displaystyle \mathrm{P},~\mathrm{Q},~\mathrm{R}을 지나는 평면의 방정식은 3y+3z3=0\displaystyle 3y +\sqrt 3 z -3 =0이 된다.

대학 원본 공간의 삼각형과 정사영
+6점 · 정사영의 넓이를 이용하여 두 평면이 이루는 각을 계산

세 점을 지나는 평면 위의 PQR\displaystyle \triangle\mathrm{PQR}xy\displaystyle xy평면 위로의 정사영이 PQO\displaystyle \triangle\mathrm{PQO}이므로

PQR\displaystyle \triangle\mathrm{PQR}의 넓이를 S\displaystyle S, PQO\displaystyle \triangle\mathrm{PQO}의 넓이를 S\displaystyle S^{\prime}, 두 평면이 이루는 각을 θ\displaystyle \theta라 하면

따라서 cosθ=SS=12PQMO12PQMR=12\displaystyle \cos\theta=\frac{S^{\prime}}S=\frac{\frac12|\overrightarrow{\mathrm{PQ}}||\overrightarrow{\mathrm{MO}}|}{\frac12|\overrightarrow{\mathrm{PQ}}||\overrightarrow{\mathrm{MR}}|}=\frac12이므로, 두 평면이 이루는 각 θ=π3\displaystyle \theta=\frac\pi3

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