수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

【문항 3】다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

[I] 오른쪽 그림과 같이 두 벡터 a⃗,b⃗\displaystyle \vec a,\vec b에 대하여 a⃗=AB→,  b⃗=BC→\displaystyle \vec a=\overrightarrow{\mathrm{AB}},\;\vec b=\overrightarrow{\mathrm{BC}}가 되도록 세 점 A, B, C를 잡을 때, AC→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AC}}를 두 벡터 a⃗\displaystyle \vec a와 b⃗\displaystyle \vec b의 합이라 하며, 이것을 기호로 a⃗+b⃗\displaystyle \vec a+\vec b와 같이 나타낸다.

두 벡터의 덧셈

[II] 영벡터가 아닌 두 벡터 a⃗,b⃗\displaystyle \vec a,\vec b가 이루는 각의 크기가 θ\displaystyle \theta일 때0∘≤θ≤90∘\displaystyle 0^\circ\le\theta\le90^\circ이면 a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣∣b⃗∣cos⁡θ\displaystyle \vec a\cdot\vec b=|\vec a||\vec b|\cos\theta90∘<θ≤180∘\displaystyle 90^\circ<\theta\le180^\circ이면 a⃗⋅b⃗=−∣a⃗∣∣b⃗∣cos⁡(180∘−θ)\displaystyle \vec a\cdot\vec b=-|\vec a||\vec b|\cos(180^\circ-\theta)

좌표평면에서 세 점 A(1,0),  B(1,−1),  C(3,0)\displaystyle \mathrm A(1,0),\;\mathrm B(1,-1),\;\mathrm C(3,0)에 대하여 두 선분 AB와 BC로 이루어진 도형 위를 움직이는 점 P가 있다.

[3-1] 점 D(2,1)\displaystyle \mathrm D(2,1)에 대하여 두 선분 AD와 DC로 이루어진 도형 위를 움직이는 점 Q가 있다.OR→=OP→+OQ→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}=\overrightarrow{\mathrm{OP}}+\overrightarrow{\mathrm{OQ}}를 만족시키는 점 R이 나타내는 영역의 넓이를 구하시오. (단, O는 원점이다.) (15점)

점 P와 Q가 움직이는 도형

[3-2] 반원의 호 (x−2)2+y2=1  (0≤y≤1)\displaystyle (x-2)^2+y^2=1\;(0\le y\le1) 위를 움직이는 점 S가 있다. OP→⋅OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}의 최댓값과 최솟값을 각각 구하시오. (단, O는 원점이다.) (20점)

점 P와 반원 위의 점 S
해설강의 준비중
+10점 · 점 R이 나타내는 영역을 구할 수 있다.

[3-1]점 R이 나타내는 영역은 그림의 색칠된 부분과 같다.

점 R이 나타내는 영역
+5점 · 점 R이 나타내는 영역의 넓이를 구할 수 있다.

두 직선 y=−(x−4)\displaystyle y=-(x-4)와 y=12(x−3)\displaystyle y=\frac12(x-3)의 교점을 E, 두 직선 y=12(x−2)−1\displaystyle y=\frac12(x-2)-1과 y=−(x−3)\displaystyle y=-(x-3)의 교점을 F라 하면 E(113,13),  F(103,−13)\displaystyle \mathrm E\left(\frac{11}3,\frac13\right),\;\mathrm F\left(\frac{10}3,-\frac13\right)이다.구하는 영역의 넓이는 위 그림의 바깥쪽 직사각형의 넓이에서 다섯 삼각형의 넓이 S1,S2,S3,S4,S5\displaystyle S_1,S_2,S_3,S_4,S_5를 뺀 것과 같다.따라서 구하는 영역의 넓이는4×2−12(1×1+2×23+1×1+2×23+2×1)=8−103=143\displaystyle 4\times2-\frac12\left(1\times1+2\times\frac23+1\times1+2\times\frac23+2\times1\right)=8-\frac{10}3=\frac{14}3

+7점 · OP→⋅OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}의 최댓값을 구하고 그 근거를 제시할 수 있다.

[3-2]우선 OP→⋅OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}의 최댓값을 구하자.OP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}와 OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OS}}가 이루는 각을 θ\displaystyle \theta라 할 때, OP→⋅OS→=∣OP→∣∣OS→∣cos⁡θ\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}=|\overrightarrow{\mathrm{OP}}||\overrightarrow{\mathrm{OS}}|\cos\theta이다.따라서 OP→⋅OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}의 최댓값은 ∣OP→∣\displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{OP}}|와 ∣OS→∣\displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{OS}}|의 값이 최대이며, cos⁡θ=1\displaystyle \cos\theta=1일 때이다.즉, 이러한 조건을 만족하는 점 P와 점 S가 모두 (3,0)\displaystyle (3,0)으로 존재하므로OP→⋅OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}의 최댓값은 ∣OP→∣∣OS→∣=3×3=9\displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{OP}}||\overrightarrow{\mathrm{OS}}|=3\times3=9이다.

내적이 최대인 경우
+13점 · OP→⋅OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}의 최솟값을 구하고 그 근거를 제시할 수 있다.

다음으로 OP→⋅OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}의 최솟값을 구하자.점 P를 직선 OS 위에 내린 수선의 발을 H라 하면,OP→⋅OS→=∣OS→∣∣OH→∣\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}=|\overrightarrow{\mathrm{OS}}||\overrightarrow{\mathrm{OH}}|이다.

점 P의 정사영 H

이때 임의의 점 S에 대하여 두 벡터 OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OS}}와 OP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}가 이루는 각의 크기를 θ\displaystyle \theta라 하면, 점 P는 선분 AB 또는 선분 BC 위에 존재한다.이때 선분 AB 위에 있는 점을 P1\displaystyle \mathrm P_1, 선분 BC 위에 있는 점을 P2\displaystyle \mathrm P_2라 하고, 각각의 점에 대해서 직선 OS에 내린 수선의 발을 각각 H1,H2\displaystyle \mathrm H_1,\mathrm H_2라 하자.

두 선분 위의 점과 정사영

∣OH1→∣<∣OH2→∣\displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{OH}_1}|<|\overrightarrow{\mathrm{OH}_2}|이므로 임의의 점 S에 대하여 OP→⋅OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}가 최소가 되기 위한 점 P의 위치는 선분 AB 위에 있을 때이며 특히 점 P는 점 B와 같을 때 최소가 된다. ⋯ ㉠Comment. 점 S\displaystyle S를 고정하면 OP→⋅OS→\displaystyle \overrightarrow{OP}\cdot\overrightarrow{OS}는 두 선분 모두 P=B\displaystyle P=B일 때 최소가 되므로 최솟값은 맞지만, 두 선분 위의 점을 임의로 잡으면 OH1<OH2\displaystyle OH_1<OH_2라고 할 수는 없다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

점 P가 B와 같은 경우

또한 두 점 A와 C의 중점을 T라 하고, 두 벡터 OP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}와 TS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{TS}}가 이루는 각의 크기를 α\displaystyle \alpha라 하면OB→⋅OS→=(OA→+AB→)⋅(OT→+TS→)=(OA→⋅OT→)+(AB→⋅OT→)+(OA→+AB→)⋅TS→=2+0+OB→⋅TS→=2+∣OB→∣∣TS→∣cos⁡α=2+∣OB→∣cos⁡α\displaystyle \begin{aligned}\overrightarrow{\mathrm{OB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}&=(\overrightarrow{\mathrm{OA}}+\overrightarrow{\mathrm{AB}})\cdot(\overrightarrow{\mathrm{OT}}+\overrightarrow{\mathrm{TS}})\\&=(\overrightarrow{\mathrm{OA}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OT}})+(\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OT}})+(\overrightarrow{\mathrm{OA}}+\overrightarrow{\mathrm{AB}})\cdot\overrightarrow{\mathrm{TS}}\\&=2+0+\overrightarrow{\mathrm{OB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{TS}}\\&=2+|\overrightarrow{\mathrm{OB}}||\overrightarrow{\mathrm{TS}}|\cos\alpha\\&=2+|\overrightarrow{\mathrm{OB}}|\cos\alpha\end{aligned}

벡터의 내적과 각 α

이때 cos⁡α=−1\displaystyle \cos\alpha=-1이 되도록 하는 점 S는 벡터 OP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}와 벡터 TS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{TS}}의 방향이 반대인 경우로 존재하므로OP→⋅OS→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OS}}의 최솟값은 2+∣OB→∣cos⁡α=2−2\displaystyle 2+|\overrightarrow{\mathrm{OB}}|\cos\alpha=2-\sqrt2

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