수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중
+5점 · 삼각형의 넓이

3-1. (10점) 고정된 시간 t\displaystyle t에 대하여 A=PtOt,B=QtOt,a=A,b=B\displaystyle A = P_{t} - O_{t} , B = Q_{t} - O_{t} , a = \left\| A \right\| , b = \left\| B \right\|라 하자.벡터 A,B\displaystyle A , B의 사이각을 θ\displaystyle \theta라 하고 OtPtQt\displaystyle \triangle O_tP_t Q_{t}의 넓이를 St\displaystyle S_{t}라 하면St=OtPtQt의 넓이=12absinθ=12ab1cos2θ=12a2b2(AB)2=12(4+1+4t2)(1+4+9t2)(4+6t2)2=129+17t2\displaystyle \begin{aligned}S_t&=\triangle O_tP_tQ_t\text{의 넓이}=\frac12ab\sin\theta=\frac12ab\sqrt{1-\cos^2\theta}\\&=\frac12\sqrt{a^2b^2-(A\bullet B)^2}=\frac12\sqrt{(4+1+4t^2)(1+4+9t^2)-(4+6t^2)^2}\\&=\frac12\sqrt{9+17t^2}\end{aligned}이다.

+5점 · t=35117\displaystyle t=\frac{3\sqrt{51}}{17}

OPQ\displaystyle \triangle OPQ의 넓이는 32\displaystyle \frac{{3}}{2}이므로 OtPtQt\displaystyle \triangle O_tP_t Q_{t}의 넓이가 OPQ\displaystyle \triangle OPQ의 넓이의 2\displaystyle 2배가 될 때2=StS0=9+17t23\displaystyle 2 = \frac{{S_{t}}}{S_{0}} = \frac{{\sqrt{9 + 17 t^{2}}}}{3} 가 성립한다. 따라서 t=35117\displaystyle t = \frac{{3 \sqrt{51}}}{17}이다.

+3점 · 평면의 방정식

3-2. (10점) 세 점 Ot,Pt,Qt\displaystyle O_{t} , P_{t} , Q_{t}을 지나는 평면 πt\displaystyle \pi_{t}의 방정식은 πt:ax+by+cz+d=0\displaystyle \pi_{t} : a x + b y + c z + d = 0 에 좌표를 대입하여 풀면 πt:tx+4ty3z+3t=0\displaystyle \pi_{t} : t x + 4 t y - 3 z + 3 t = 0 이다.

+1점 · 법선벡터

평면 πt\displaystyle \pi_{t}의 법선벡터는 u=(t,4t,3)\displaystyle {\overrightarrow{u}} = ( t , 4 t , - 3 )이고 xy\displaystyle x y 평면의 법선벡터는 v=(0,0,1)\displaystyle {\overrightarrow{v}} = ( 0 , 0 , 1 )이다.

+3점 · 두 평면의 이면각

두 평면의 이면각을 λ(t)\displaystyle \lambda ( t )라 하면cosλ(t)=uvuv=t×0+4t×0+(3)×1t2+(4t)2+(3)202+02+12=317t2+9\displaystyle \cos \lambda ( t ) = \frac{{\left| {\overrightarrow{u}} \cdot {\overrightarrow{v}} \right|}}{\left\| {\overrightarrow{u}} \right\| \left\| {\overrightarrow{v}} \right\|} = \frac{{| t \times 0 + 4 t \times 0 + ( - 3 ) \times 1 |}}{\sqrt{t^{2} + ( 4 t )^{2} + ( - 3 )^{2}} \sqrt{0^{2} + 0^{2} + 1^{2}}} = \frac{{3}}{\sqrt{17 t^{2} + 9}} 이다.

+2점 · 중간값의 정리

cosλ(t)=317t2+9\displaystyle \cos \lambda ( t ) = \frac{{3}}{\sqrt{17 t^{2} + 9}}에서 t\displaystyle t가 무한히 커지면 317t2+9\displaystyle \frac{{3}}{\sqrt{17 t^{2} + 9}}의 값은 0\displaystyle 0으로 수렴하므로중간값의 정리에 의하여 cosλ(t)\displaystyle \cos \lambda ( t )(0,λ(0)]=(0,1]\displaystyle ( 0 , \lambda ( 0 ) ] = ( 0 , 1 ]의 값을 모두 갖는다.Correction. 여기서 구하는 것은 cosλ(t)\displaystyle \cos\lambda(t)의 범위이므로 오른쪽 끝값은 λ(0)\displaystyle \lambda(0)이 아니라 cosλ(0)=1\displaystyle \cos\lambda(0)=1이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+1점 · 가질 수 있는 값의 범위

그러므로 λ(t)\displaystyle \lambda ( t )가 가질 수 있는 값의 범위는 [0,)\displaystyle [ 0 , \infty )이다.Correction. cosλ(t)(0,1]\displaystyle \cos\lambda(t)\in(0,1]이므로 두 평면의 사이각의 범위는 0λ(t)<π2\displaystyle 0\le\lambda(t)<\frac\pi2이다. 원문의 [0,)\displaystyle [0,\infty)는 시간 t\displaystyle t의 범위이며 각 λ(t)\displaystyle \lambda(t)의 범위가 아니다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+4점 · cosθ(t)\displaystyle \cos\theta(t)

3-3. (10점) PtOtQt\displaystyle \angle P_{t}^{\prime} O_{t}^{\prime} Q_{t}^{\prime} 의 크기 θ(t)\displaystyle \theta ( t )에 대하여cosθ(t)=OtPtOtQtOtPtOtQt=(0,1,2t)(0,2,3t)(0,1,2t)(0,2,3t)=2+6t21+4t24+9t2\displaystyle \cos \theta ( t ) = \frac{{\left| {\overrightarrow{O_{t}^{\prime} P_{t}}}^{\prime} \cdot {\overrightarrow{O_{t}^{\prime} Q_{t}^{\prime}}} \right|}}{\left\| {\overrightarrow{O_{t}^{\prime} P_{t}^{\prime}}} \right\| \left\| {\overrightarrow{O_{t}^{\prime} Q_{t}^{\prime}}} \right\|} = \frac{{( 0 , 1 , 2 t ) \cdot ( 0 , 2 , 3 t )}}{\left\| ( 0 , 1 , 2 t ) \right\| \left\| ( 0 , 2 , 3 t ) \right\|} =\frac{{2 + 6 t^{2}}}{\sqrt{1 + 4 t^{2}} \sqrt{4 + 9 t^{2}}}이다.

+1점 · f(t)\displaystyle f(t)가 최소일 때 θ(t)\displaystyle \theta(t)가 최대

f(t)=cosθ(t)=2+6t21+4t24+9t2\displaystyle f ( t ) = \cos \theta ( t ) = \frac{{2 + 6 t^{2}}}{\sqrt{1 + 4 t^{2}} \sqrt{4 + 9 t^{2}}}라 두면, f(t)\displaystyle f ( t )가 최소일 때 θ(t)\displaystyle \theta ( t )가 최대이다.

+2점 · 극소값

f(t)=2t3t21(1+4t2)32(4+9t2)32\displaystyle f^{\prime} ( t ) = \frac{{2 t \sqrt{3 t^{2} - 1}}}{\left( 1 + 4 t^{2} \right)^{\frac{{3}}{2}} \left( 4 + 9 t^{2} \right)^{\frac{{3}}{2}}} = 0 이면 t=33\displaystyle t = \frac{{\sqrt{3}}}{3} 이고, 따라서 f(t)\displaystyle f ( t )t=33\displaystyle t = \frac{{\sqrt{3}}}{3}에서 극소값을 가진다.Correction. 도함수의 분자는 2t3t21\displaystyle 2t\sqrt{3t^2-1}이 아니라 2t(3t21)\displaystyle 2t(3t^2-1)이다. 이를 이용하면 t=33\displaystyle t=\frac{\sqrt3}{3}을 경계로 도함수의 부호가 음에서 양으로 바뀐다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+3점 · 최소값

한편 f(0)=1\displaystyle f ( 0 ) = 1이고, t\displaystyle t가 한없이 커지면 f(t)\displaystyle f ( t )1\displaystyle 1에 수렴하므로, f(t)\displaystyle f ( t )t=33\displaystyle t = \frac{{\sqrt{3}}}{3}에서 최소값을 가진다. 그러므로 t=33\displaystyle t = \frac{{\sqrt{3}}}{3}일 때, θ(t)\displaystyle \theta ( t )의 값이 최대이다.

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