수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+3점 · x2x1=2\displaystyle x_2-x_1=2를 구했으면

[1] (1) 직선 l\displaystyle l의 방정식을 y=2ax+b\displaystyle y=2ax+b라 하고 포물선의 방정식과 연립하면 다음을 얻는다.

x24x=2ax+bx2(4+2a)xb=0\displaystyle x^2-4x=2ax+b\quad\Rightarrow\quad x^2-(4+2a)x-b=0

두 점 A,B\displaystyle A,Bx\displaystyle x좌표가 x1,x2\displaystyle x_1,x_2 (x1<x2\displaystyle x_1<x_2)라 하면 제시문 2로부터 다음을 얻는다.

43=x1x2{(2ax+b)(x24x)}dx=(x2x1)36x2x1=2\displaystyle \dfrac43=\int_{x_1}^{x_2}\{(2ax+b)-(x^2-4x)\}\,dx=\dfrac{(x_2-x_1)^3}6\quad\Rightarrow\quad x_2-x_1=2

+2점 · x1+x2=4+2a, x1x2=b\displaystyle x_1+x_2=4+2a,~x_1x_2=-b를 구했으면

한편, 근과 계수의 관계로부터 다음을 얻는다.

x1+x2=4+2a,x1x2=b\displaystyle x_1+x_2=4+2a,\quad x_1x_2=-b

+2점 · b=(a+1)(a+3)\displaystyle b=-(a+1)(a+3)을 구했으면

위에서 얻은 식들을 연립하여 계산하면 x1,x2\displaystyle x_1,x_2b\displaystyle b는 다음과 같다.

x1=a+1,x2=a+3,b=(a+1)(a+3)\displaystyle x_1=a+1,\quad x_2=a+3,\quad b=-(a+1)(a+3)

+2점 · y=2ax(a+1)(a+3)\displaystyle y=2ax-(a+1)(a+3)을 구했으면

따라서 직선 l\displaystyle l의 방정식은 y=2ax(a+1)(a+3)\displaystyle y=2ax-(a+1)(a+3)이다.

+3점 · x0=x1+x22=a+2, y0=2ax0(a+1)(a+3)\displaystyle x_0=\dfrac{x_1+x_2}2=a+2,~y_0=2ax_0-(a+1)(a+3)을 구했으면

(2) (1)에서 얻은 식들로부터 중점 M\displaystyle M의 좌표 x0\displaystyle x_0y0\displaystyle y_0은 다음과 같다.

x0=x1+x22=a+2,y0=2ax0(a+1)(a+3)\displaystyle x_0=\dfrac{x_1+x_2}2=a+2,\quad y_0=2ax_0-(a+1)(a+3)

+3점 · y=x24x+1\displaystyle y=x^2-4x+1을 구했으면

a=x02\displaystyle a=x_0-2를 위의 두 번째 식에 대입하면 다음을 얻는다.

y0=2(x02)x0(x01)(x0+1)=2x024x0(x021)=x024x0+1\displaystyle \begin{aligned}y_0&=2(x_0-2)x_0-(x_0-1)(x_0+1)\\&=2x_0^2-4x_0-(x_0^2-1)\\&=x_0^2-4x_0+1\end{aligned}

따라서 도형의 방정식은 y=x24x+1\displaystyle y=x^2-4x+1이다.

+3점 · (선분 AB의 길이)=35\displaystyle (\text{선분 }AB\text{의 길이})=3\sqrt5를 구했으면

[2] (1) 선분 AB\displaystyle AB의 길이는 피타고라스 정리를 이용하여 계산하면 다음과 같다.

(선분 AB의 길이)=(71)2+(25)2=45=35\displaystyle (\text{선분 }AB\text{의 길이})=\sqrt{(7-1)^2+(2-5)^2}=\sqrt{45}=3\sqrt5

+3점 · 선분 AB\displaystyle ABs:(1s)\displaystyle s:(1-s)로 내분하는 점을 Q\displaystyle Q라 할 때 OP=13OQ\displaystyle \overrightarrow{OP}=\dfrac13\overrightarrow{OQ}가 성립함을 보였으면

(2) 선분 AB\displaystyle ABs:(1s)\displaystyle s:(1-s)로 내분하는 점을 Q\displaystyle Q라 하면 다음이 성립한다.

PQ=(1s)PA+sPB\displaystyle \overrightarrow{PQ}=(1-s)\overrightarrow{PA}+s\overrightarrow{PB}

이를 주어진 식에 대입하면 다음을 얻는다.

2OP=PQ=PO+OQOP=13OQ\displaystyle 2\overrightarrow{OP}=\overrightarrow{PQ}=\overrightarrow{PO}+\overrightarrow{OQ}\quad\Rightarrow\quad\overrightarrow{OP}=\dfrac13\overrightarrow{OQ}

+3점 · 선분 OA\displaystyle OA1:2\displaystyle 1:2로 내분하는 점을 A\displaystyle A^{\prime}, 선분 OB\displaystyle OB1:2\displaystyle 1:2로 내분하는 점을 B\displaystyle B^{\prime}일 때 점 P\displaystyle P가 그리는 선분은 선분 AB\displaystyle A^{\prime}B^{\prime}임을 설명했으면

따라서, 세 점 O,P,Q\displaystyle O,P,Q는 동일 직선 위에 있다. 또한 점 P\displaystyle P는 선분 OQ\displaystyle OQ1:2\displaystyle 1:2로 내분하는 점임을 알 수 있다. s\displaystyle s0s1\displaystyle 0\le s\le1이므로 Q\displaystyle Q는 선분 AB\displaystyle AB에서 움직이는 점이다. 그러므로 선분 OA\displaystyle OA1:2\displaystyle 1:2로 내분하는 점을 A\displaystyle A^{\prime}, 선분 OB\displaystyle OB1:2\displaystyle 1:2로 내분하는 점을 B\displaystyle B^{\prime}이라 하면 점 P\displaystyle P가 그리는 선분은 선분 AB\displaystyle A^{\prime}B^{\prime}이다. 한편 OAB\displaystyle \triangle OA^{\prime}B^{\prime}OAB\displaystyle \triangle OAB의 닮음비로부터 다음을 얻는다.

ABAB=13\displaystyle \dfrac{\overline{A^{\prime}B^{\prime}}}{\overline{AB}}=\dfrac13

+3점 · (점 P가 그리는 선분의 길이)=5\displaystyle (\text{점 }P\text{가 그리는 선분의 길이})=\sqrt5를 구했으면

따라서 선분 AB\displaystyle A^{\prime}B^{\prime}의 길이, 즉 점 P\displaystyle P가 그리는 선분의 길이는 다음과 같다.

(점 P가 그리는 선분의 길이)=35×13=5\displaystyle (\text{점 }P\text{가 그리는 선분의 길이})=3\sqrt5\times\dfrac13=\sqrt5

+3점 · CD\displaystyle \overline{CD}의 중점을 M\displaystyle M이라 할 때 AM=1, BM=2\displaystyle \overline{AM}=1,~\overline{BM}=2를 구했으면

[3] (1) ACD\displaystyle \triangle ACDBCD\displaystyle \triangle BCD는 이등변 삼각형이다. 그러므로 CD\displaystyle CD의 중점을 M\displaystyle M이라 하면 다음을 얻는다.

CD의 중점 M과 AM, BM을 표시한 사면체 ABCD

AM=1,BM=2,AMCD,BMCD\displaystyle \overline{AM}=1,\quad\overline{BM}=2,\quad\overline{AM}\perp\overline{CD},\quad\overline{BM}\perp\overline{CD}

+4점 · 사면체 ABCD\displaystyle ABCD의 부피가 13×CD×(ABM의 넓이)\displaystyle \dfrac13\times\overline{CD}\times(\triangle ABM\text{의 넓이})임을 설명하였으면

이로부터 ABM\displaystyle \triangle ABM을 포함하는 평면은 변 CD\displaystyle CD에 수직임을 알 수 있다. 그러므로 사면체 ABCD\displaystyle ABCD의 부피는 다음과 같이 구할 수 있다.

(사면체 ABCD의 부피)=13×CD×(ABM의 넓이)\displaystyle (\text{사면체 }ABCD\text{의 부피})=\dfrac13\times\overline{CD}\times(\triangle ABM\text{의 넓이})\quad\cdots\text{①}

+4점 · ABM\displaystyle \triangle ABM의 넓이 (a410a2+9)4\displaystyle \dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}4를 구했으면

ABM\displaystyle \triangle ABM에서 꼭지점 A\displaystyle A에서 변 BM\displaystyle BM에 내린 수선의 발을 H\displaystyle H라 하자. x\displaystyle x는 선분 AH\displaystyle AH의 길이, BH=b\displaystyle \overline{BH}=b라 하면 MH=2b\displaystyle \overline{MH}=2-b (또는 b2\displaystyle b-2)이므로 피타고라스 정리에 의해 다음을 얻는다.

a2=x2+b2,1=x2+(2b)2\displaystyle a^2=x^2+b^2,\quad1=x^2+(2-b)^2

연립 방정식을 풀면 다음과 같다.

b=a2+34,x2=(a410a2+9)16,x=(a410a2+9)4\displaystyle b=\dfrac{a^2+3}4,\quad x^2=\dfrac{-(a^4-10a^2+9)}{16},\quad x=\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}4

그러므로 ABM\displaystyle \triangle ABM의 넓이는 다음과 같다.

12×2×(a410a2+9)4=(a410a2+9)4\displaystyle \dfrac12\times2\times\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}4=\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}4

+4점 · V=(a410a2+9)6\displaystyle V=\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}6를 구했으면

이제 식 ①을 이용하면 부피 V\displaystyle V는 다음과 같다.

V=13×2×(a410a2+9)4=(a410a2+9)6\displaystyle V=\dfrac13\times2\times\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}4=\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}6.

+4점 · 1<a2<9\displaystyle 1<a^2<9를 구했으면

(2) V\displaystyle V가 값을 가지려면 근호 안의 값이 양수이어야 하므로 다음 부등식을 얻는다.

a410a2+9=(a21)(a29)<0\displaystyle a^4-10a^2+9=(a^2-1)(a^2-9)<0

이로부터 a2\displaystyle a^2의 범위는 다음과 같다.

1<a2<9\displaystyle 1<a^2<9

+4점 · V\displaystyle V의 최댓값 23\displaystyle \dfrac23를 구했으면

한편 근호 안의 식은 (a25)2+16\displaystyle -(a^2-5)^2+16이므로 V\displaystyle V의 최댓값은 다음과 같다.

166=23\displaystyle \dfrac{\sqrt{16}}6=\dfrac23

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