수리논술, 이게 다다.

의학계 1번

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문제

【문항 1】 다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

(가) 영벡터가 아닌 두 벡터 OA→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}}, OB→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OB}}가 이루는 각의 크기가 θ\displaystyle \theta (0≤θ≤π)\displaystyle \left( 0 \le \theta \le \pi \right)일 때, 두 벡터의 내적은 OA→⋅OB→=∣OA→∣∣OB→∣cos⁡θ\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OB}} = | \overrightarrow{\mathrm{OA}} | | \overrightarrow{\mathrm{OB}} | \cos \theta이다.

(나) 영벡터가 아닌 두 벡터 OA→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}}, OB→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OB}}가 이루는 각의 크기가 θ\displaystyle \theta (0≤θ≤π)\displaystyle \left( 0 \le \theta \le \pi \right)일 때, 삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 넓이는 12∣OA→∣∣OB→∣sin⁡θ\displaystyle \frac{1}{2} | \overrightarrow{\mathrm{OA}} | | \overrightarrow{\mathrm{OB}} | \sin \theta이다.

(다) (삼각함수의 덧셈정리)sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\displaystyle \sin ( \alpha + \beta ) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta, cos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β\displaystyle \cos ( \alpha + \beta ) = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta

사면체 OABC\displaystyle \mathrm{OABC}에서 OA‾=OB‾=OC‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{OA}} = \overline{\mathrm{OB}} = \overline{\mathrm{OC}} = 3, AB‾=2\displaystyle \overline{\mathrm{AB}} = 2, BC‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{BC}} = 3, AC‾=4\displaystyle \overline{\mathrm{AC}} = 4이다. AB‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}} 위의 점 H\displaystyle \mathrm{H}에 대하여 AH‾AB‾=t\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{AH}}}{\overline{\mathrm{AB}}} = t (0≤t≤1)\displaystyle \left( 0 \le t \le 1 \right)라 할 때, 다음 논제에 답하시오.

사면체 OABC에서 변 AB를 내분하는 점 H

1-1. OH→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OH}}를 OA→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}}, OB→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OB}}와 t\displaystyle t에 대한 식으로 나타내고 이를 이용하여 ∣OH→∣\displaystyle | \overrightarrow{\mathrm{OH}} |를 t\displaystyle t에 대한 식으로 나타내시오. [10점]

1-2. 삼각형 OHC\displaystyle \mathrm{OHC}의 넓이를 t\displaystyle t에 대한 식으로 나타내고, 넓이가 최소가 되는 t\displaystyle t의 값을 구하시오. [20점]

해설강의 준비중
+3점 · 선분의 내분점, 외분점을 벡터로 표현할 수 있다.

1-1.AH‾AB‾=t\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{AH}}}{\overline{\mathrm{AB}}} = t (0≤t≤1)\displaystyle \left( 0 \le t \le 1 \right)이므로 OH→=(1−t)OA→+tOB→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OH}} = ( 1 - t ) \overrightarrow{\mathrm{OA}} + t \overrightarrow{\mathrm{OB}}가 된다.

+7점 · 내적을 이용하여 벡터의 크기를 구할 수 있다.

이등변삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}에서 OA‾\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}와 OB‾\displaystyle \overline{\mathrm{OB}}가 이루는 각의 크기를 α\displaystyle \alpha라고 하면, 덧셈정리에 의하여 cos⁡α=cos⁡(α2+α2)=cos⁡α2cos⁡α2−sin⁡α2sin⁡α2=79\displaystyle \cos \alpha = \cos \left( \frac{\alpha}{2} + \frac{\alpha}{2} \right)= \cos \frac{\alpha}{2} \cos \frac{\alpha}{2} - \sin \frac{\alpha}{2} \sin \frac{\alpha}{2} = \frac{7}{9}임을 알 수 있다. 따라서 OA→⋅OB→=9cos⁡α=7\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OB}} = 9 \cos \alpha = 7∣OH→∣2=((1−t)OA→+tOB→)⋅((1−t)OA→+tOB→)=4t2−4t+9\displaystyle | \overrightarrow{\mathrm{OH}} |^{2} = ( ( 1 - t ) \overrightarrow{\mathrm{OA}} + t \overrightarrow{\mathrm{OB}} ) \cdot ( ( 1 - t ) \overrightarrow{\mathrm{OA}} + t \overrightarrow{\mathrm{OB}} )= 4 t^{2} - 4 t + 9이므로 ∣OH→∣=4t2−4t+9\displaystyle | \overrightarrow{\mathrm{OH}} | = \sqrt{4 t^{2} - 4 t + 9}이다.

+10점 · 벡터의 내적을 이용하여 사이각의 코사인 값을 구할 수 있다.

1-2.삼각형 OBC\displaystyle \mathrm{OBC}는 한 변의 길이가 3\displaystyle 3인 정삼각형이므로 OB→⋅OC→=92\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OB}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OC}} = \frac{9}{2}이다.이등변삼각형 OAC\displaystyle \mathrm{OAC}에서 변 OA‾\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}와 변 OC‾\displaystyle \overline{\mathrm{OC}}가 이루는 각의 크기를 β\displaystyle \beta라고 하면 덧셈정리를 이용하여 cos⁡β=cos⁡(β2+β2)=cos⁡β2cos⁡β2−sin⁡β2sin⁡β2=19\displaystyle \cos \beta = \cos \left( \frac{\beta}{2} + \frac{\beta}{2} \right)= \cos \frac{\beta}{2} \cos \frac{\beta}{2} - \sin \frac{\beta}{2} \sin \frac{\beta}{2} = \frac{1}{9}이고OA→⋅OC→=9cos⁡β=1\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OC}} = 9 \cos \beta = 1, OC→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OC}}와 OH→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OH}}가 이루는 각의 크기를 θ\displaystyle \theta라고 하면OH→⋅OC→=1+72t\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OH}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OC}} = 1 + \frac{7}{2} t이므로 cos⁡θ=OC→⋅OH→∣OC→∣∣OH→∣=2+7t64t2−4t+9\displaystyle \cos \theta = \frac{{\overrightarrow{\mathrm{OC}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OH}}}}{| \overrightarrow{\mathrm{OC}} | | \overrightarrow{\mathrm{OH}} |}= \frac{{2 + 7 t}}{6 \sqrt{4 t^{2} - 4 t + 9}}이 된다.

+7점 · 두 변의 길이와 그 사이각의 코사인 값을 이용하여 삼각형의 넓이를 구한다.

(삼각형 OHC\displaystyle \mathrm{OHC}의 넓이)=12∣OH→∣∣OC→∣sin⁡θ=1234t2−4t+91−cos⁡2θ=1495t2−172t+320\displaystyle \begin{aligned}&=\frac12|\overrightarrow{\mathrm{OH}}||\overrightarrow{\mathrm{OC}}|\sin\theta\\&=\frac12 3\sqrt{4t^2-4t+9}\sqrt{1-\cos^2\theta}\\&=\frac14\sqrt{95t^2-172t+320}\end{aligned}

+3점 · 주어진 범위에서 이차식의 최대, 최소를 구할 수 있다.

이 되고 95t2−172t+320=95(t−8695)2+2300495\displaystyle 95 t^{2} - 172 t + 320= 95 \left( t - \frac{86}{95} \right)^{2} + \frac{23004}{95}이므로 삼각형 OHC\displaystyle \mathrm{OHC}의 넓이가 최소가 되는 t\displaystyle t의 값은 8695\displaystyle \frac{86}{95}이다.

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