수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] (50점) 다음 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

1. 타원의 접선의 방정식

타원 x2a2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}=1에 있는 점 P(x1, y1)\displaystyle \mathrm{P} \left (x_{1},~ y_{1} \right )에서의 접선의 방정식은 다음과 같다.

x1xa2+y1yb2=1\displaystyle \frac{x_{1} x}{a^{2}}+\frac{y_{1} y}{b^{2}}=1

2. 합의 법칙

두 사건 A\displaystyle A와 B\displaystyle B가 동시에 일어나지 않을 때, 사건 A\displaystyle A와 사건 B\displaystyle B가 일어나는 경우의 수가 각각 m\displaystyle m과 n\displaystyle n이면, 사건 A\displaystyle A또는 사건 B\displaystyle B가 일어나는 경우의 수는 m+n\displaystyle m+n이다.

3. 수학적 확률

표본공간 S\displaystyle S에서 각각의 근원사건이 일어날 가능성이 모두 같은 정도로 기대될 때, 사건 A\displaystyle A가 일어날 확률은 다음과 같다.

P(A)=n(A)n(S)\displaystyle \mathrm{P}(A)=\frac{n(A)}{n(S)}

4. 수학적 귀납법

자연수 n\displaystyle n에 관한 명제 p(n)\displaystyle p(n)이 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 성립함을 증명하려면 다음 두 가지를 보이면 된다.

(i) n=1\displaystyle n=1일 때, 명제 p(n)\displaystyle p(n)이 성립한다.

(ii) n=k\displaystyle n=k일 때, 명제 p(n)\displaystyle p(n)이 성립한다고 가정하면 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때에도 명제 p(n)\displaystyle p(n)이 성립한다.

[1] 타원 x2a+y2=1 (a>0)\displaystyle \frac{x^{2}}{a}+y^{2}=1 ~(a>0)의 제 1\displaystyle 1사분면에 있는 점 P(x1, y1)\displaystyle \mathrm{P} \left (x_{1},~ y_{1} \right )에 대하여, 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서의 접선이 x\displaystyle x축과 점 A\displaystyle \mathrm{A}에서만나고 y\displaystyle y축과 점 B\displaystyle \mathrm{B}에서만난다고 하자. 원점 O\displaystyle \mathrm{O}와 두 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 B\displaystyle \mathrm{B}가 꼭짓점인 삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}가 직각이등변삼각형일 때, 다음 물음에 답하시오.

(1) 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표를 a\displaystyle a에 관한 식으로 나타내시오. [6점]

(2) 삼각형 OAP\displaystyle \mathrm{OAP}의 넓이가 삼각형 OBP\displaystyle \mathrm{OBP}의 넓이의 2\displaystyle 2배가 되는 타원의 방정식을 찾으시오. [4점]

(3) (2)의 타원의 두 초점 F\displaystyle \mathrm{F}와 F′\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}에 대하여 다음을 만족시키는 타원에 있는 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표를 모두 찾으시오. [6점]

FQ→⋅F′Q→=0\displaystyle \overrightarrow{FQ}\cdot\overrightarrow{F^{\prime}Q}=0

[2] 오른쪽 그림과 같이 합동인 정사각형들을 변끼리 이어붙인 모양의 도로망이 있다. 이 도로를 따라 이동할 때 다음 물음에 답하시오.

대학 원본의 A와 B 사이 도로망과 P Q 지점

(1) A\displaystyle A지점에서 B\displaystyle B지점까지 최단거리로 가는 경우의 수를 찾으시오. [5점]

(2) 수철이는 A\displaystyle A지점에서 B\displaystyle B지점까지 최단거리로, 연수는 B\displaystyle B지점에서 A\displaystyle A지점까지 최단거리로 이동한다. 수철이와 연수가 P\displaystyle P지점에서만나고 목적지까지 가는 확률과 Q\displaystyle Q지점에서만나고 목적지까지 가는 확률을 각각 찾으시오. (단, 두 사람은 동시에 출발하여 같은 속력으로 이동한다.) [7점]

[3] 다음과 같이 귀납적으로 정의된 수열 {an}\displaystyle \left\{a_{n} \right\}을 생각하자.

a1=2,  an+1=an+(n2+2n+2)×(n+1)! (n=1, 2, 3, ⋯ )\displaystyle a_{1}=2,~ ~ a_{n+1}=a_{n}+ \left (n^{2}+2 n+2 \right ) \times (n+1) ! ~(n=1,~2,~3,~ \cdots )

다음 물음에 답하시오. (단, n!=n(n−1)(n−2)×⋯×3×2×1\displaystyle n!=n(n-1)(n-2)\times\cdots\times3\times2\times1이다.)

(1) a\displaystyle a와 b\displaystyle b는 실수이고 n\displaystyle n에 관한 이차식 g(n)=an2+bn\displaystyle g(n)=a n^{2}+b n이 있어서 모든 자연수 n\displaystyle n에서 an=g(n)×n!\displaystyle a_{n}=g(n) \times n!이 성립한다고 할 때, 이차식 g(n)\displaystyle g(n)을 찾으시오. [4점]

(2) (1)에서 얻은 g(n)\displaystyle g(n)에 대하여 모든 자연수 n\displaystyle n에서 an=g(n)×n!\displaystyle a_{n}=g(n) \times n!임을 수학적 귀납법으로 증명하시오. [7점]

[4] 오른쪽 그림의 사각형 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}에서 AB‾=BC‾=CD‾=2\displaystyle \overline{AB}=\overline{BC}=\overline{CD}=2이고 ∠CDA=75∘\displaystyle \angle \mathrm{CDA}=75^{\circ }이며 ∠DAB=135∘\displaystyle \angle \mathrm{DAB}=135^{\circ }이다. 다음 물음에 답하시오.

(1) 귀류법을 이용하여 AC‾=2\displaystyle \overline{AC}=2임을 증명하시오. [6점]

(2) AD‾\displaystyle \overline{AD}의 길이를 찾으시오. [5점]

대학 원본의 사각형 ABCD
해설강의 준비중
+3점 · 접점 P의 좌표를 a\displaystyle a로 표현하면 (예) P(x1,x1a)\displaystyle \left(x_1,\dfrac{x_1}a\right)

[1]

(1) 점 P(x1, y1)\displaystyle \mathrm{P} \left (x_{1},~ y_{1} \right )에서의 접선의 방정식은 x1xa+y1y=1\displaystyle \frac{x_{1} x}{a}+y_{1} y=1이므로 A(ax1, 0)\displaystyle \mathrm{A} \left (\frac{a}{x_{1}},~ 0 \right )이고 B(0, 1y1)\displaystyle \mathrm{B} \left (0,~ \frac{1}{y_{1}} \right )이다.

삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}가 직각이등변삼각형이므로 OA‾=OB‾\displaystyle \overline{OA}=\overline{OB}이고

이에 따라 y1=x1a\displaystyle y_{1}=\frac{x_{1}}{a}이다.

+3점 · 직각이등변삼각형 조건을 이용하여 접점 P(aa+1,1a+1)\displaystyle \left(\dfrac a{\sqrt{a+1}},\dfrac1{\sqrt{a+1}}\right)를 얻으면

접점 P(x1, x1a)\displaystyle \mathrm{P} \left (x_{1},~ \frac{x_{1}}{a} \right )는 타원의 점이므로 x12a+y12=x12a+(x1a)2=a+1a2x12=1\displaystyle \frac{x_{1}^{2}}{a}+y_{1}^{2}=\frac{x_{1}^{2}}{a}+ \left (\frac{x_{1}}{a} \right )^{2}=\frac{a+1}{a^{2}} x_{1}^{2}=1이고

제 1\displaystyle 1사분면에 있으므로 x1=aa+1\displaystyle x_{1}=\frac{a}{\sqrt {a+1}}이고 y1=x1a=1a+1\displaystyle y_{1}=\frac{x_{1}}{a}=\frac{1}{\sqrt {a+1}}이다.

따라서 접점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표는 (aa+1, 1a+1)\displaystyle \left (\frac{a}{\sqrt {a+1}},~ \frac{1}{\sqrt {a+1}} \right )이다.

타원에 접하는 직선과 직각이등변삼각형 원본 그림
+2점 · 두 삼각형의 넓이를 이용하여 방정식을 얻으면 (예) 1a+1=2×aa+1\displaystyle \dfrac1{\sqrt{a+1}}=2\times\dfrac a{\sqrt{a+1}}

(2) 삼각형 OAP\displaystyle \mathrm{OAP}의 넓이는 S1=12×OA‾×1a+1\displaystyle S_{1}=\frac{1}{2} \times \overline{OA} \times \frac{1}{\sqrt {a+1}}이고

삼각형 OBP\displaystyle \mathrm{OBP}의 넓이는 S2=12×OB‾×aa+1\displaystyle S_{2}=\frac{1}{2} \times \overline{OB} \times \frac{a}{\sqrt {a+1}}이다.

OA‾=OB‾\displaystyle \overline{OA}=\overline{OB}이고 S1=2×S2\displaystyle S_{1}=2 \times S_{2}이므로 1a+1=2×aa+1\displaystyle \frac{1}{\sqrt {a+1}}=2 \times \frac{a}{\sqrt {a+1}}이고, a=12\displaystyle a=\frac{1}{2}이다.

+2점 · 타원의 방정식 2x2+y2=1\displaystyle 2x^2+y^2=1을 얻으면

따라서 타원의 방정식은 2x2+y2=1\displaystyle 2 x^{2}+y^{2}=1이다.

+3점 · ∠FQF′=90∘\displaystyle \angle FQF^{\prime}=90^\circ을 이용하여 원의 방정식 x2+y2=12\displaystyle x^2+y^2=\dfrac12을 얻으면

(3) 타원의 두 초점을 F(0,c)\displaystyle (0,c)와 F′(0,−c)\displaystyle (0,-c)라고 하면

c2=1−a=12\displaystyle c^2=1-a=\dfrac12이므로 F(0,22)\displaystyle \left(0,\dfrac{\sqrt2}2\right)와 F′(0,−22)\displaystyle \left(0,-\dfrac{\sqrt2}2\right)이다.

타원의 점 Q에 대하여 FQ→⋅F′Q→=0\displaystyle \overrightarrow{FQ}\cdot\overrightarrow{F^{\prime}Q}=0이므로

∠FQF′=90∘\displaystyle \angle FQF^{\prime}=90^\circ이다.

따라서 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}는 타원의 두 초점을 지름의 양 끝점으로 하는 원 x2+y2=12\displaystyle x^{2}+y^{2}=\frac{1}{2}과 타원의 교점이 된다.

+3점 · 점 Q의 좌표 (22,0)\displaystyle \left(\dfrac{\sqrt2}2,0\right)과 (−22,0)\displaystyle \left(-\dfrac{\sqrt2}2,0\right)을 모두 얻으면

타원의 식과 원의 식을 연립하여 풀면 찾는 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표는 (22, 0)\displaystyle \left (\frac{\sqrt {2}}{2},~ 0 \right )과 (−22, 0)\displaystyle \left (-\frac{\sqrt {2}}{2},~ 0 \right )이다.

타원과 초점을 지름으로 하는 원의 교점 원본 그림
+5점 · A에서 B까지 가는 경우의 수 92를 얻으면 (세부기준) 일부 구간의 경우의 수만 계산하는 경우에는 비례하여 부분 점수를 부여

[2]

(1) A\displaystyle A에서 B\displaystyle B까지 가는 경우의 수는 오른쪽과 같은 5\displaystyle 5개의 지점 P, Q, R, S, T\displaystyle P,~ Q,~ R,~ S,~ T을 통과하는 경우의 수의 합과 같다.

대학 원본의 도로망과 중간 지점 다섯 곳

- R\displaystyle R지점 : 1×1=1\displaystyle 1 \times 1=1,

- P\displaystyle P지점 : 5C1×5C4=5!1!×4!×5!4!×1!=25\displaystyle { }_{5} \mathrm{C}_{1} \times { }_{5} \mathrm{C}_{4}=\frac{5 !}{1 ! \times 4 !} \times \frac{5 !}{4 ! \times 1 !}=25,

- Q\displaystyle Q지점: 5C2×4C3=5!2!×3!×4!3!×1!=40\displaystyle { }_{5} \mathrm{C}_{2} \times { }_{4} \mathrm{C}_{3}=\frac{5 !}{2 ! \times 3 !} \times \frac{4 !}{3 ! \times 1 !}=40,

- S\displaystyle S지점 : 5C4×5C1=5!4!×1!×5!1!×4!=25\displaystyle { }_{5} \mathrm{C}_{4} \times { }_{5} \mathrm{C}_{1}=\frac{5 !}{4 ! \times 1 !} \times \frac{5 !}{1 ! \times 4 !}=25,

- T\displaystyle T지점 : 1×1=1\displaystyle 1 \times 1=1

따라서 A\displaystyle A에서 B\displaystyle B까지 가는 경우의 수는 1+25+40+25+1=92\displaystyle 1+25+40+25+1=92이다.

+2점 · P 지점에서 만나는 경우의 수 625를 얻으면

(2) 두 사람이 자신의 출발지에서 목적지까지 가는 모든 경우의 수는 각 사람이 한 방향으로 가는 경로의 수의 곱과 같으므로 92×92=8464\displaystyle 92 \times 92=8464이다.

또한 두 사람은 서로 반대방향에서 동시에 출발하여 같은 속력으로 이동하므로, 서로 같은 거리에 있는 P, Q, R, S, T\displaystyle P,~ Q,~ R,~ S,~ T지점에서만 만날 수 있다.

두 사람이 어느 한 지점에서만나는 경우의 수는 수철이가 해당 지점을 지나서 목적지까지 가는 경우의 수에 대하여 연수가 같은 지점을 지나서 목적지까지 가는 경우의 수를 곱한 것과 같으므로 다음과 같다.

대학 원본의 서로 마주 오는 두 사람의 도로망

- P\displaystyle P지점에서만나는 경우의 수: (5C1×5C4)×(5C4×5C1)=25×25=625\displaystyle \left ({ }_{5} \mathrm{C}_{1} \times { }_{5} \mathrm{C}_{4} \right ) \times \left ({ }_{5} \mathrm{C}_{4} \times { }_{5} \mathrm{C}_{1} \right )=25 \times 25=625

+2점 · Q 지점에서 만나는 경우의 수 1600을 얻으면

- Q\displaystyle Q지점에서만나는 경우의 수: (5C2×4C3)×(4C3×5C2)=40×40=1600\displaystyle \left ({ }_{5} \mathrm{C}_{2} \times { }_{4} \mathrm{C}_{3} \right ) \times \left ({ }_{4} \mathrm{C}_{3} \times { }_{5} \mathrm{C}_{2} \right )=40 \times 40=1600

+3점 · P와 Q 지점에서 만나는 확률 6258464\displaystyle \dfrac{625}{8464}와 100529\displaystyle \dfrac{100}{529}을 얻으면

따라서 두 사람이 각 지점에서만나고 목적지까지 가는 확률은 다음과 같다.

- P\displaystyle P지점에서만나는 확률 : 62592×92=6258464\displaystyle \frac{625}{92 \times 92}=\frac{625}{8464}

- Q\displaystyle Q지점에서만나는 확률: 160092×92=16008464=100529\displaystyle \frac{1600}{92 \times 92}=\frac{1600}{8464}=\frac{100}{529}

+2점 · 임의의 두 항을 이용하여 관계식을 얻으면 (예) a+b=2, 2a+b=3\displaystyle a+b=2,~2a+b=3

[3]

(1) g(n)=an2+bn\displaystyle g(n)=a n^{2}+b n이라고 하면 다음의 식을 얻는다.

{a1=(a+b)×1!=2→a+b=2a2=(4a+2b)×2!=12→2a+b=3\displaystyle \begin{cases}a_1=(a+b)\times1!=2\quad\to a+b=2\\a_2=(4a+2b)\times2!=12\quad\to2a+b=3\end{cases} 또는 {a2=(4a+2b)×2!=12→2a+b=3a3=(9a+3b)×3!=72→9a+3b=12\displaystyle \begin{cases}a_2=(4a+2b)\times2!=12\quad\to2a+b=3\\a_3=(9a+3b)\times3!=72\quad\to9a+3b=12\end{cases}

+2점 · 연립 방정식을 풀어 g(n)=n2+n\displaystyle g(n)=n^2+n을 얻으면

두 식을 연립하여 풀면 a=1, b=1\displaystyle a=1,~ b=1이고, 따라서 g(n)=n2+n\displaystyle g(n)=n^{2}+n이다.

+2점 · 제시문 (i)에 따라 n=1\displaystyle n=1일 때 성립함을 보이면

(2) 모든 자연수 n\displaystyle n에서 다음이 성립함을 밝히자.

an=(n2+n)×n!\displaystyle a_n=(n^2+n)\times n! ……①

n=1\displaystyle n=1일 때, a1=(12+1)×1!=2\displaystyle a_1=(1^2+1)\times1!=2이므로 ①이 성립한다.

+4점 · 제시문 (ii)에 따라 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때 성립함을 보이면

n=k\displaystyle n=k일 때, 식 ①이 성립한다고 하자. 곧 ak=(k2+k)×k!\displaystyle a_{k}= \left (k^{2}+k \right ) \times k!이라고 하자.

그러면 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때 다음을 얻는다.

ak+1=ak+(k2+2k+2)×(k+1)!=(k2+k)×k!+(k2+2k+2)×(k+1)!=k×(k+1)!+(k2+2k+2)×(k+1)!=(k2+3k+2)×(k+1)!={(k+1)2+(k+1)}×(k+1)!\displaystyle \begin{aligned}a_{k+1}&=a_k+(k^2+2k+2)\times(k+1)!\\&=(k^2+k)\times k!+(k^2+2k+2)\times(k+1)!\\&=k\times(k+1)!+(k^2+2k+2)\times(k+1)!\\&=(k^2+3k+2)\times(k+1)!\\&=\{(k+1)^2+(k+1)\}\times(k+1)!\end{aligned}

+1점 · (i)과 (ii)에 따라 모든 자연수에 대하여 성립한다고 결론 지으면

그러므로 식 ①은 n=k+1\displaystyle n=k+1일 때 성립한다.

따라서 식 ①은 모든 자연수 n\displaystyle n에서 성립한다.

+1점 · 귀류법으로 증명하기 위해 결론을 부정하여 AC‾≠2\displaystyle \overline{AC}\ne2라고 가정하면

[4]

(1) 귀류법으로 증명하기 위하여 AC‾≠2\displaystyle \overline{AC} \ne 2라고 가정한다.

+4점 · 삼각형에서 내각의 크기가 크면(작으면) 대변의 길이가 길다(작다)를 이용하여 증명하면 (세부기준) AC‾>2\displaystyle \overline{AC}>2와 AC‾<2\displaystyle \overline{AC}<2로 나누어 각각의 경우를 증명해야 하며 증명의 일부만 설명하는 경우 비례하여 부분 점수 부여

(i) AC‾>2\displaystyle \overline{AC}>2라고 하자.

그러면 이등변삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 세 변 중에서 AC‾\displaystyle \overline{AC}의 길이가 가장 길기 때문에 세 내각 중에서 ∠ABC\displaystyle \angle \mathrm{ABC}의 크기가 가장 크다. 이에 따라 ∠BAC<60∘\displaystyle \angle \mathrm{BAC}<60^{\circ }이다.

그리고 삼각형 ACD\displaystyle \mathrm{ACD}에서 AC‾>CD‾\displaystyle \overline{AC}>\overline{CD}이므로, ∠CAD<75∘\displaystyle \angle \mathrm{CAD}<75^{\circ }이다.

그러면 ∠DAB=∠BAC+∠CAD<135∘\displaystyle \angle \mathrm{DAB}=\angle \mathrm{BAC}+\angle \mathrm{CAD}<135^{\circ }이므로, 주어진 조건에 모순된다.

사각형 ABCD의 대각선 AC를 그은 대학 원본 그림

(ii) AC‾<2\displaystyle \overline{AC}<2라고 하자.

그러면 이등변삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 세 변 중에서 AC‾\displaystyle \overline{AC}의 길이가 가장 짧기 때문에 세 내각 중에서 ∠ABC\displaystyle \angle \mathrm{ABC}의 크기가 가장 작다. 이에 따라 ∠BAC>60∘\displaystyle \angle \mathrm{BAC}>60^{\circ }이다.

그리고 삼각형 ACD\displaystyle \mathrm{ACD}에서 AC‾<CD‾\displaystyle \overline{AC}<\overline{CD}이므로, ∠CAD>75∘\displaystyle \angle \mathrm{CAD}>75^{\circ }이다.

그러면 ∠DAB=∠BAC+∠CAD>135∘\displaystyle \angle \mathrm{DAB}=\angle \mathrm{BAC}+\angle \mathrm{CAD}>135^{\circ }이므로, 주어진 조건에 모순된다.

+1점 · 결론을 부정한 것이 모순임을 언급하며 AC‾=2\displaystyle \overline{AC}=2라고 결론 지으면

따라서 (i)과 (ii)에 의해 AC‾=2\displaystyle \overline{AC}=2이다.

+2점 · 삼각형 ACD가 이등변삼각형임을 언급하면

(2) (1)의 결과에 의하여 삼각형 ACD\displaystyle \mathrm{ACD}는 AC‾=CD‾=2\displaystyle \overline{AC}=\overline{CD}=2인 이등변삼각형이고 ∠CDA=∠CAD=75∘\displaystyle \angle \mathrm{CDA}=\angle \mathrm{CAD}=75^{\circ }이다. 따라서 삼각함수의 덧셈정리에 따라 다음을 얻는다.

+3점 · 삼각함수의 성질을 이용하여 AD‾=6−2 (=8−43)\displaystyle \overline{AD}=\sqrt6-\sqrt2~(=\sqrt{8-4\sqrt3})을 얻으면

AD‾=2×2cos⁡75∘=4cos⁡(45∘+30∘)=4cos⁡45∘cos⁡30∘−4sin⁡45∘sin⁡30∘=4×22×32−4×22×12=6−2\displaystyle \begin{aligned}\overline{AD}&=2\times2\cos75^\circ=4\cos(45^\circ+30^\circ)=4\cos45^\circ\cos30^\circ-4\sin45^\circ\sin30^\circ\\&=4\times\dfrac{\sqrt2}2\times\dfrac{\sqrt3}2-4\times\dfrac{\sqrt2}2\times\dfrac12=\sqrt6-\sqrt2\end{aligned}

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