수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] [50점] 다음 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

1. 사인법칙삼각형 ABC의 외접원의 반지름의 길이를 R\displaystyle R라고 하면

asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R\displaystyle \frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C} = 2R

2. 코사인법칙삼각형 ABC에서

a2=b2+c2−2bccos⁡Ab2=c2+a2−2cacos⁡Bc2=a2+b2−2abcos⁡C\displaystyle \begin{aligned}a^2&=b^2+c^2-2bc\cos A\\b^2&=c^2+a^2-2ca\cos B\\c^2&=a^2+b^2-2ab\cos C\end{aligned}

3. 곡선과 y\displaystyle y축 사이의 넓이함수 h(y)\displaystyle h(y)가 닫힌구간 [c,d]\displaystyle [c, d]에서 연속일 때, 곡선 x=h(y)\displaystyle x= h(y)와 y\displaystyle y축 및 두 직선 y=c\displaystyle y = c, y=d\displaystyle y = d로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는 다음과 같다.

S=∫cd∣h(y)∣dy\displaystyle S= \int_c^d | h(y)| dy

4. 이차방정식의 근의 판별계수가 실수인 이차방정식 ax2+bx+c=0\displaystyle ax^{2} + bx +c = 0 (a≠0\displaystyle a\ne 0)에서 D=b2−4ac\displaystyle D= b^{2} - 4ac라고 할 때,

D>0\displaystyle D>0이면 서로 다른 두 실근을 갖고, 서로 다른 두 실근을 가지면 D>0\displaystyle D>0이다.

D=0\displaystyle D= 0이면 중근을 갖고, 중근을 가지면 D=0\displaystyle D= 0이다.

D<0\displaystyle D<0이면 서로 다른 두 허근을 갖고, 서로 다른 두 허근을 가지면 D<0\displaystyle D<0이다.

[1] 함수 f(x)=sin⁡πx\displaystyle f(x)=\sin\pi x와 g(x)=cos⁡πx\displaystyle g(x)=\cos\pi x에 대하여 전체집합 U\displaystyle U의 두 부분집합 A\displaystyle A, B\displaystyle B를 다음과 같이 정의할 때, 물음에 답하시오.

U={x∣x=n24, 0≤n≤24인 정수}\displaystyle U=\left\{x\mid x=\dfrac n{24},~0\le n\le24\text{인 정수}\right\}

A={x∣f(4x)=0, 0≤x≤1}, B={x∣g(6x)=0, 0≤x≤1}\displaystyle A=\{x\mid f(4x)=0,~0\le x\le1\},~B=\{x\mid g(6x)=0,~0\le x\le1\}

(1) A∪B\displaystyle A\cup B과 A∩B\displaystyle A\cap B을 각각 구하시오. [5점]

(2) AC∩BC\displaystyle A^C\cap B^C의 원소의 개수를 구하시오. (단, AC\displaystyle A^C, BC\displaystyle B^C는 각각 U\displaystyle U에 대한 집합 A\displaystyle A, B\displaystyle B의 여집합) [5점]

[2] 삼각형 ABC에 대하여 물음에 답하시오.

(1) A\displaystyle A가 직각일 때, sin⁡A+sin⁡B+sin⁡C\displaystyle \sin A + \sin B + \sin C의 최댓값을 구하시오. [9점]

(2) 다음 식의 값을 구하시오. [9점]

sin⁡2A+sin⁡2B+sin⁡2C−2sin⁡Bsin⁡Ccos⁡A−2sin⁡Csin⁡Acos⁡B−2sin⁡Asin⁡Bcos⁡C\displaystyle \sin ^{2} A + \sin ^{2} B + \sin ^{2} C - 2 \sin B \sin C \cos A - 2 \sin C \sin A \cos B - 2 \sin A \sin B \cos C

[3] 무리함수 f(x)=−(x+1)−1\displaystyle f(x)= \sqrt {- (x+1)} -1과 함수 g(x)=kx\displaystyle g(x)= kx에 대하여 물음에 답하시오. (단, k\displaystyle k는 상수)

(1) 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f(x) 위의 두 점 P(a,b)\displaystyle (a, b), Q(c,d)\displaystyle (c, d)를 지나는 직선에 수직인 직선의 기울기를 구하시오. (단, b+d=1\displaystyle b+d = 1, a<c≤−1\displaystyle a < c\le -1) [5점]

(2) 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f(x)와 직선 y=g(x)\displaystyle y = g(x)가 만나도록 하는 k\displaystyle k의 범위를 구하시오. [8점]

(3) 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f(x)와 직선 y=g(x)\displaystyle y = g(x)가 접할 때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f(x)와 두 직선 y=g(x)\displaystyle y = g(x), y=x\displaystyle y = x로 둘러싸인 영역의 넓이를 구하시오. [9점]

해설강의 준비중
+2점 · A\displaystyle A와 B\displaystyle B를 구했으면

[1]

(1) f(4x)=sin⁡4πx=0\displaystyle f(4 x)= \sin 4 \pi x=0에서 0≤x≤1\displaystyle 0 \le x \le 1이므로 x=0\displaystyle x=0, 14\displaystyle \frac{1}{4}, 12\displaystyle \frac{1}{2}, 34\displaystyle \frac{3}{4}, 1\displaystyle 1이고

g(6x)=cos⁡6πx=0\displaystyle g(6 x)= \cos 6 \pi x=0에서 0≤x≤1\displaystyle 0 \le x \le 1이므로 x=112\displaystyle x=\frac{1}{12}, 14\displaystyle \frac{1}{4}, 512\displaystyle \frac{5}{12}, 712\displaystyle \frac{7}{12}, 34\displaystyle \frac{3}{4}, 1112\displaystyle \frac{11}{12}이다.

A={0,14,12,34,1}\displaystyle A=\left\{0,\frac14,\frac12,\frac34,1\right\}, B={112,14,512,712,34,1112}\displaystyle B=\left\{\frac1{12},\frac14,\frac5{12},\frac7{12},\frac34,\frac{11}{12}\right\}이므로 A\displaystyle A와 B\displaystyle B의 합집합과 교집합은 각각

+3점 · A∪B\displaystyle A\cup B와 A∩B\displaystyle A\cap B를 구했으면

A∪B={0,112,14,512,12,712,34,1112,1}\displaystyle A\cup B=\left\{0,\frac1{12},\frac14,\frac5{12},\frac12,\frac7{12},\frac34,\frac{11}{12},1\right\}, A∩B={14,34}\displaystyle A\cap B=\left\{\frac14,\frac34\right\}이다.

+2점 · AC∩BC\displaystyle A^C\cap B^C을 구하거나 (A∪B)C\displaystyle (A\cup B)^C과의 관계를 표현했으면

(2) 드 모르간의 법칙에 의하여 AC∩BC=(A∪B)C\displaystyle A^{C}\cap B^{C}=(A\cup B)^{C}이고, (A∪B)C=U−(A∪B)\displaystyle (A\cup B)^{C}=U-(A\cup B)이다.

+3점 · 원소의 개수 16을 구했으면

n(U)=25\displaystyle n(U)=25, n(A∪B)=9\displaystyle n(A\cup B)=9이고, n(U)=n(A∪B)+n((A∪B)C)\displaystyle n(U)=n(A\cup B)+n \left ((A\cup B)^{C} \right )이므로

n((A∪B)C)=n(U)−n(A∪B)=25−9=16\displaystyle n \left ((A\cup B)^{C} \right )=n(U)-n(A\cup B)=25-9=16

+3점 · B+C=π2\displaystyle B+C=\dfrac\pi2을 이용하여 1+sin⁡B+1−sin⁡2B\displaystyle 1+\sin B+\sqrt{1-\sin^2B}을 도출하였으면

[2]

(1) A=π2\displaystyle A=\frac{ \pi }{2}이므로, B+C=π2\displaystyle B+C=\frac{ \pi }{2}이다.

sin⁡A+sin⁡B+sin⁡C=1+sin⁡B+sin⁡(π2−B)=1+sin⁡B+cos⁡B=1+sin⁡B+1−sin⁡2B\displaystyle \begin{aligned}\sin A+\sin B+\sin C&=1+\sin B+\sin\left(\frac\pi2-B\right)\\&=1+\sin B+\cos B\\&=1+\sin B+\sqrt{1-\sin^2 B}\end{aligned} …… ① (∵cos⁡B>0\displaystyle \because\cos B>0)

sin⁡B=x (0<x<1)\displaystyle \sin B=x ~ (0<x<1)라 하면

식 ①의 최댓값은 f(x)=1+x+1−x2\displaystyle f(x)=1+x+ \sqrt {1-x^{2}}의 최댓값이다.

+3점 · sin⁡B=22\displaystyle \sin B=\dfrac{\sqrt2}2에서 최댓값을 가짐을 도출하였으면

f′(x)=1−x1−x2=0\displaystyle f ^{\prime} (x)=1-\frac{x}{ \sqrt {1-x^{2}}}=0으로부터 x=22\displaystyle x=\frac{ \sqrt {2}}{2}

xx⋯22\frac{\sqrt2}{2}⋯
f′(x)f^{\prime}(x)+0−
f(x)f(x)↗극대↘
+3점 · 최댓값 1+2\displaystyle 1+\sqrt2를 구했으면

그러므로 0<x<1\displaystyle 0<x<1에서 f(x)\displaystyle f(x)의 최댓값은 f(22)=1+2\displaystyle f \left (\frac{ \sqrt {2}}{2} \right )=1+ \sqrt {2}이므로

식 ①의 최댓값은 1+2\displaystyle 1+ \sqrt {2}

+5점 · 14R2(a2+b2+c2−2bccos⁡A−2cacos⁡B−2abcos⁡C)\displaystyle \dfrac1{4R^2}(a^2+b^2+c^2-2bc\cos A-2ca\cos B-2ab\cos C)을 얻었으면

(2) 삼각형 ABC\displaystyle A B C의 외접원의 반지름을 R\displaystyle R라고 할 때,

사인법칙으로부터 sin⁡A=a2R\displaystyle \sin A=\frac{a}{2 R},  sin⁡B=b2R\displaystyle ~ \sin B=\frac{b}{2 R},  sin⁡C=c2R⋯⋯\displaystyle ~ \sin C=\frac{c}{2 R}\cdots \cdots ②

문제에서 주어진 식에 ②를 대입하면 14R2(a2+b2+c2−2bccos⁡A−2cacos⁡B−2abcos⁡C)\displaystyle \frac{1}{4 R^{2}} \left (a^{2}+b^{2}+c^{2}-2 b c \cos A-2 c a \cos B-2 a b \cos C \right )

+4점 · 14R2(a2+b2+c2+a2−b2−c2+b2−c2−a2+c2−a2−b2)=0\displaystyle \dfrac1{4R^2}(a^2+b^2+c^2+a^2-b^2-c^2+b^2-c^2-a^2+c^2-a^2-b^2)=0을 얻었으면

코사인법칙으로부터 주어진 식의 값은

14R2(a2+b2+c2+a2−b2−c2+b2−c2−a2+c2−a2−b2)=0\displaystyle \frac{1}{4 R^{2}} \left (a^{2}+b^{2}+c^{2}+a^{2}-b^{2}-c^{2}+b^{2}-c^{2}-a^{2}+c^{2}-a^{2}-b^{2} \right )=0

+2점 · 수직인 직선의 기울기의 식 −c−ad−b\displaystyle -\dfrac{c-a}{d-b}을 얻고 d−b≠0\displaystyle d-b\ne0임을 언급하였으면

[3]

(1) 두 점 P\displaystyle P, Q\displaystyle Q 를 지나는 직선의 기울기는 d−bc−a\displaystyle \frac{d-b}{c-a}이므로 이 직선과 수직인 직선의 기울기는 −c−ad−b\displaystyle -\frac{c-a}{d-b}

(여기서 d−b≠0\displaystyle d-b\ne 0인데 왜냐하면, 만약 d=b\displaystyle d=b라면 −(c+1)−1=−(a+1)−1\displaystyle \sqrt {-(c+1)}-1= \sqrt {-(a+1)}-1이므로 c=a\displaystyle c=a가 되지만 문제의 조건에서 a<c\displaystyle a<c라고 했기 때문이다.)

+3점 · −c−ad−b=(d+1)2−(b+1)2d−b=d+b+2=3\displaystyle -\dfrac{c-a}{d-b}=\dfrac{(d+1)^2-(b+1)^2}{d-b}=d+b+2=3을 얻었으면

점 P\displaystyle P, Q\displaystyle Q 가 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점이므로 (b+1)2=−(a+1)\displaystyle (b+1)^{2}=-(a+1)이고 (d+1)2=−(c+1)\displaystyle (d+1)^{2}=-(c+1)

두 식의 차는 (b+1)2−(d+1)2=c−a\displaystyle (b+1)^{2}-(d+1)^{2}=c-a이므로

−c−ad−b=(d+1)2−(b+1)2d−b=d+b+2=3\displaystyle -\frac{c-a}{d-b}=\frac{(d+1)^{2}-(b+1)^{2}}{d-b}=d+b+2=3

+3점 · 주어진 두 식을 연립하여 k2x2+(2k+1)x+2=0\displaystyle k^2x^2+(2k+1)x+2=0을 얻었으면

(2) 직선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)가 (−1,−1)\displaystyle (-1, -1)을 지날 때 k=1\displaystyle k=1

곡선 y=−(x+1)−1\displaystyle y= \sqrt {-(x+1)}-1와 직선 y=kx\displaystyle y=k x가 접할 때

k\displaystyle k값을 구하기 위하여 두 식을 연립하면 kx+1=−(x+1)\displaystyle k x+1= \sqrt {-(x+1)}

양변을 제곱하여 x\displaystyle x에 대한 이차방정식 꼴로 정리하면

k2x2+(2k+1)x+2=0⋯⋯\displaystyle k^{2} x^{2}+(2 k+1) x+2=0\cdots \cdots ①

+5점 · 1−22≤k≤1\displaystyle \dfrac{1-\sqrt2}2\le k\le1을 구했으면

판별식 D=(2k+1)2−8k2=0\displaystyle D=(2 k+1)^{2}-8 k^{2}=0으로부터

k=1±22\displaystyle k=\frac{1 \pm \sqrt {2}}{2}

오른쪽 그림과 같이 두 그래프가 만날 때 k≤1\displaystyle k \le 1이므로

k=1−22\displaystyle k=\frac{1- \sqrt {2}}{2}

그러므로 구하는 k\displaystyle k값의 범위는 1−22≤k≤1\displaystyle \frac{1- \sqrt {2}}{2} \le k \le 1

무리함수와 두 직선으로 둘러싸인 넓이를 분리한 원본 그래프
+3점 · 넓이를 정적분으로 표현하기 위한 위 끝과 아래 끝을 올바로 구했으면

(3) y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=g(x)\displaystyle y=g(x)가 접할 때 k=1−22\displaystyle k=\frac{1- \sqrt {2}}{2}이고 식 ①의 판별식이 0\displaystyle 0이므로 접점의 x\displaystyle x좌표는

x=−(2k+1)2k2=−(2−2)(1−2)22=−2(2−2)3−22=−2(2+2)\displaystyle x=\dfrac{-(2k+1)}{2k^2}=\dfrac{-(2-\sqrt2)}{\dfrac{(1-\sqrt2)^2}2}=\dfrac{-2(2-\sqrt2)}{3-2\sqrt2}=-2(2+\sqrt2)

접점의 y\displaystyle y좌표는 y=kx=2\displaystyle y=k x= \sqrt {2}

y=f(x)=−(x+1)−1\displaystyle y=f(x)= \sqrt {-(x+1)}-1에서 x\displaystyle x를 y\displaystyle y에 대해 정리하면 x=h(y)=−y2−2y−2\displaystyle x=h(y)=-y^{2}-2 y-2

+3점 · 넓이를 정적분으로 올바로 표현하였으면

구하는 영역의 넓이 (위 그림의 S1+S2\displaystyle S_1+S_2)는 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y\displaystyle y축 및 두 직선 y=−1\displaystyle y=-1, y=2\displaystyle y= \sqrt {2}로 둘러싸인 영역의 넓이 S\displaystyle S와 삼각형 영역의 넓이 T\displaystyle T(위 그림의 T1+T2\displaystyle T_{1}+T_{2})의 차와 같다.

S=∫−12∣h(y)∣dy=∫−12(y2+2y+2)dy=[y33+y2+2y]−12=103+832\displaystyle S= \int_{-1}^{ \sqrt {2}}|h(y)| d y= \int_{-1}^{ \sqrt {2}} \left (y^{2}+2 y+2 \right ) d y= \Biggl[\frac{y^{3}}{3}+y^{2}+2 y \Biggr]_{-1}^{ \sqrt {2}}=\frac{10}{3}+\frac{8}{3} \sqrt {2}

T=12⋅2(2+2)⋅2+12⋅1⋅1=52+22\displaystyle T=\frac{1}{2}\cdot 2(2+ \sqrt {2})\cdot \sqrt {2}+\frac{1}{2}\cdot 1\cdot 1=\frac{5}{2}+2 \sqrt {2}

+3점 · 56+232\displaystyle \dfrac56+\dfrac23\sqrt2를 구했으면

S−T=56+232\displaystyle S-T=\frac{5}{6}+\frac{2}{3} \sqrt {2}

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