수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

코사인법칙

관련 개념강의 준비중

다음 그림과 같이 북위 45\displaystyle 45^\circ에 있는 지구상의 두 점을 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}라고 하고, 구의 중심을 O\displaystyle \mathrm{O}라고 하자. 또한 제시문 (가)에 주어진 바와 같이 두 점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}를 지나면서 적도면에 평행한 평면, 즉 북위 45\displaystyle 45^\circ선을 지나는 평면과 지구면이 만나는 교선은 원이 되는데, 이 원의 중심을 O\displaystyle \mathrm{O}^{\prime}이라고 하자.

A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}, O\displaystyle \mathrm{O}, O\displaystyle \mathrm{O}^{\prime}3\displaystyle 3차원 공간에 표시하고, 이를 각각 정면과 윗면 방향에서 2\displaystyle 2차원 평면에 나타낸 그림은 다음과 같다.

북위 45도 위의 두 점과 정면·윗면에서 본 도형

또한 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}를 지나는 대권과 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}를 함께 3\displaystyle 3차원 공간에 표시하고, 대권에 나타낸 그림은 다음과 같고, 이때 호 AB\displaystyle \mathrm{A}B가 대권 항로이다.

대권의 중심각 알파

그러면 두 점 A\displaystyle A, B\displaystyle B를 지나는 대권 항로의 중심각(α\displaystyle \alpha)은 각 AOB\displaystyle AOB이고 A\displaystyle A, B\displaystyle B 사이의 경도 차이(β\displaystyle \beta)는 각 AOB\displaystyle AO^{\prime}B이다. 그리고 삼각형 AOB\displaystyle AOB와 삼각형 AOB\displaystyle AO^{\prime}B는 모두 이등변삼각형이며, OA=OB=R\displaystyle \overline{OA}=\overline{OB}=R이고, OA=OB=R=Rcos45=R2\displaystyle \overline{O^{\prime}A}=\overline{O^{\prime}B}=R^{\prime}=R\cos45^\circ=\frac R{\sqrt2}이다.

[다]에 주어진 코사인법칙을 삼각형 AOB\displaystyle AOBAOB\displaystyle AO^{\prime}B에 각각 적용하면 다음과 같다.

AB2=R2+R22RRcosα=2R22R2cosα\displaystyle \overline{AB}^2=R^2+R^2-2R\cdot R\cos\alpha=2R^2-2R^2\cos\alpha

AB2=(R)2+(R)22RRcosβ=2(R)22(R)2cosβ=R2R2cosβ\displaystyle \begin{aligned}\overline{AB}^2&=(R^{\prime})^2+(R^{\prime})^2-2R^{\prime}\cdot R^{\prime}\cos\beta\\&=2(R^{\prime})^2-2(R^{\prime})^2\cos\beta=R^2-R^2\cos\beta\end{aligned}

위 두 식으로부터

2R22R2cosα=R2R2cosβ\displaystyle 2R^2-2R^2\cos\alpha=R^2-R^2\cos\beta

2cosαcosβ=1\displaystyle 2\cos\alpha-\cos\beta=1

이므로 두 점을 지나는 대권 항로의 중심각(α\displaystyle \alpha)와 두 점 사이의 경도 차이(β\displaystyle \beta)의 관계는 다음과 같다.

cosα=1+cosβ2\displaystyle \cos\alpha=\frac{1+\cos\beta}2

이제 북위 45\displaystyle 45^\circ, 동경 45\displaystyle 45^\circ에서 북위 45\displaystyle 45^\circ, 동경 135\displaystyle 135^\circ의 위치로 이동하는 경우를 생각하자. 이때, 두 점 사이의 경도 차이 β=13545=90\displaystyle \beta = 135^\circ - 45^\circ = 90^\circ이므로

cosα=1+cos902=12\displaystyle \cos\alpha=\frac{1+\cos90^\circ}2=\frac12

이고, 따라서 α=60\displaystyle \alpha=60^\circ이다.

[가]에서 제시한 A\displaystyle \mathrm{A}B\displaystyle \mathrm{B} 사이의 대권 항로는 앞의 그림에서 부채꼴 AOB\displaystyle \mathrm{AOB}의 호 AB\displaystyle \mathrm{A}B가 되므로 그 길이 L1\displaystyle L_1은 다음과 같다.

L1=2πR60360=2πR16=13πR\displaystyle L_1=2\pi R\cdot\frac{60}{360}=2\pi R\cdot\frac16=\frac13\pi R

또한, A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}가 동일 위도에 있으므로 항정선은 경선에 수직인 방향으로 결정되며, 따라서 동일한 위도를 따라가는 곡선으로 결정된다. 이는 앞의 그림에서 부채꼴 AOB\displaystyle \mathrm{AO}'B의 호 AB\displaystyle \mathrm{A}B가 되며, [나]에서 제시한 A\displaystyle \mathrm{A}B\displaystyle \mathrm{B} 사이의 항정선 항로는 부채꼴 AOB\displaystyle \mathrm{A}O^{\prime}B의 호 AB\displaystyle \mathrm{A}B가 되므로 그 길이 L2\displaystyle L_2는 다음과 같다.

L2=2πR90360=2πR214=24πR\displaystyle L_2=2\pi R^{\prime}\cdot\frac{90}{360}=2\pi\frac R{\sqrt2}\cdot\frac14=\frac{\sqrt2}4\pi R

130.3333\displaystyle \frac13\fallingdotseq0.3333이고 240.3536\displaystyle \frac{\sqrt2}4\fallingdotseq0.3536이므로 항정선 항로의 길이가 대권 항로의 길이보다 (2413)πR0.0203πR\displaystyle \left(\frac{\sqrt2}4-\frac13\right)\pi R\fallingdotseq0.0203\pi R 만큼 길다고 할 수 있다.

등급요건
A 상관계식 유도 O, 호의 길이 계산 및 비교 O
A 중관계식 유도 O, 호의 길이 계산 및 비교 X 관계식 유도 X, 호의 길이 계산 및 비교 O
A 하관계식 유도 X, 호의 길이 중 하나만 계산 O
B관계식 유도 X, 호의 길이 계산 및 비교 X 이지만 관계를 ‘α\displaystyle \alphaβ\displaystyle \beta보다 크다’와 같이 말로만 설명한 경우

Caution. 채점기준 B의 대소관계가 반대로 적혀 있다.cosαcosβ=1cosβ2>0\displaystyle \cos\alpha-\cos\beta=\frac{1-\cos\beta}{2}>0이므로 α<β\displaystyle \alpha<\beta이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

C관계식 유도 X, 호의 길이 계산 및 비교 X

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