수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · 3-1

3-1.원점이 중심이고 반지름이 1인 구를 S\displaystyle S라 하자.구 위의 임의의 점을 P(x,y,z)\displaystyle \mathrm{P} ( x , y , z )라 놓고, 제시문 (나)에 의해 두 점 N\displaystyle \mathrm{N}, P\displaystyle \mathrm{P}사이의 사이각이 π4\displaystyle \frac{{\pi}}{4}이므로 ON\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{ON}}OP\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} 내적하면 OPON=OPONcos(π4)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} \bullet \overrightarrow{\mathrm{ON}} = | \overrightarrow{\mathrm{OP}} | | \overrightarrow{\mathrm{ON}} | \cos \left( \frac{{\pi}}{4} \right) 이고, OP=ON=1\displaystyle | \overrightarrow{\mathrm{OP}} | = | \overrightarrow{\mathrm{ON}} | = 1이므로, z=12\displaystyle z = \frac{{1}}{\sqrt{2}}이다.P0\displaystyle \mathrm{P}_{0}는 구 S\displaystyle S를 평면 z=12\displaystyle z = \frac{{1}}{\sqrt{2}}으로 절단하여 평면 z=12\displaystyle z = \frac{{1}}{\sqrt{2}} 위에 놓인 원 x2+y2=12\displaystyle x^{2} + y^{2} = \frac{{1}}{2}에서 x\displaystyle x좌표가 큰 점이다. 따라서 P0\displaystyle \mathrm{P}_{0}의 좌표는 (12,0,12)\displaystyle \left( \frac{{1}}{\sqrt{2}} , 0 , \frac{{1}}{\sqrt{2}} \right)이다.위와 같은 방법으로 점 Q0\displaystyle \mathrm{Q}_{0}x\displaystyle x좌표는 12\displaystyle \frac{{1}}{\sqrt{2}}이다.Q0\displaystyle \mathrm{Q}_{0}는 평면 x=12\displaystyle x = \frac{{1}}{\sqrt{2}} 위의 놓인 원 y2+z2=12\displaystyle y^{2} + z^{2} = \frac{{1}}{2}에서 y\displaystyle y좌표가 가장 큰 점이므로Q0=(12,12,0)\displaystyle \mathrm{Q}_{0} = \left( \frac{{1}}{\sqrt{2}} , \frac{{1}}{\sqrt{2}} , 0 \right)이다.

+25점 · 3-2

3-2.P\displaystyle \mathrm{P}P0(12,0,12)\displaystyle \mathrm{P}_{0} \left( \frac{{1}}{\sqrt{2}} , 0 , \frac{{1}}{\sqrt{2}} \right)에서 z\displaystyle z축을 회전축으로 하여 y\displaystyle y좌표가 증가하는 방향으로 일정한 각속도 ω\displaystyle \omega(양수인 상수)로 한 바퀴 회전하므로 시각 t\displaystyle t에서의 위치는P(t)=(12cos(ωt),12sin(ωt),12)\displaystyle \mathrm{P} ( {t} ) = \left( \frac{{1}}{\sqrt{2}} \cos ( \omega {t} ) , \frac{{1}}{\sqrt{2}} \sin ( \omega {t} ) , \frac{{1}}{\sqrt{2}} \right)이다. (단, P(0)=P0\displaystyle \mathrm{P} ( 0 ) = \mathrm{P}_{0})Q\displaystyle \mathrm{Q}Q0(12,12,0)\displaystyle \mathrm{Q}_{0} \left( \frac{{1}}{\sqrt{2}} , \frac{{1}}{\sqrt{2}} , 0 \right)에서 x\displaystyle x축을 회전축으로 하여 z\displaystyle z좌표가 증가하는 방향으로 각속도 ω\displaystyle \omega로 한 바퀴 회전하므로 시각 t\displaystyle t에서의 위치는Q(t)=(12,12cos(ωt),12sin(ωt))\displaystyle \mathrm{Q} ( {t} ) = \left( \frac{{1}}{\sqrt{2}} , \frac{{1}}{\sqrt{2}} \cos ( \omega {t} ) , \frac{{1}}{\sqrt{2}} \sin ( \omega {t} ) \right)이다. (단, Q(0)=Q0\displaystyle \mathrm{Q} ( 0 ) = \mathrm{Q}_{0})움직이고 있는 두 점 P(t)\displaystyle {\mathrm{P}} ( t ), Q(t)\displaystyle {\mathrm{Q}} ( t )의 사이각을 0θ(t)π\displaystyle 0 \leq \theta ( t ) \leq \pi라 하자.cosx\displaystyle \cos x는 구간 0xπ\displaystyle 0 \leq x \leq \pi에서 감소함수이므로 사이각 θ(t)\displaystyle \theta ( t )의 크기의 최솟값 α\displaystyle \alpha에 대한 cosα\displaystyle \cos \alpha을 구하기 위해 cos(θ(t))\displaystyle \cos ( \theta ( t ) )의 최댓값을 구하면 된다.OP(t)OQ(t)=OP(t)OQ(t)cos(θ(t))=cos(θ(t))\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP} ( t )} \bullet \overrightarrow{\mathrm{OQ} ( t )} = | \overrightarrow{\mathrm{OP} ( t )} | | \overrightarrow{\mathrm{OQ} ( t )} | \cos ( \theta ( \mathrm{t} ) ) = \cos ( \theta ( \mathrm{t} ) )이고, OP(t)=OQ(t)=1\displaystyle | \overrightarrow{\mathrm{OP} ( {t} )} | = | \overrightarrow{\mathrm{OQ} ( {t} )} | = 1 이므로cos(θ(t))=OP(t)OQ(t)=12(cos(ωt)+sin(ωt)cos(ωt)+sin(ωt))\displaystyle \cos ( \theta ( t ) ) = \overrightarrow{\mathrm{OP} ( t )} \bullet \overrightarrow{\mathrm{OQ} ( t )} = \frac{{1}}{2} ( \cos ( \omega t ) + \sin ( \omega t ) \cos ( \omega t ) + \sin ( \omega t ) )의 최댓값을 구하자.cos(ωt)+sin(ωt)=s\displaystyle \cos ( \omega t ) + \sin ( \omega t ) = s라 놓으면, 2s2\displaystyle - \sqrt{2} \leq s \leq \sqrt{2}이고 cos(ωt)sin(ωt)=s212\displaystyle \cos ( \omega t ) \sin ( \omega t ) = \frac{{s^{2} - 1}}{2}이다.구간 2s2\displaystyle - \sqrt{2} \leq s \leq \sqrt{2}에서 12(s+s212)\displaystyle \frac{{1}}{2} \left( s + \frac{{s^{2} - 1}}{2} \right)의 최댓값은 1+224\displaystyle \frac{{1 + 2 \sqrt{2}}}{4}이므로구하는 cosα=1+224\displaystyle \cos \alpha = \frac{{1 + 2 \sqrt{2}}}{4}이다.

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