수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

[문제 3] 아래 글을 읽고, 각 물음에 답하시오.

구간 [0,8]\displaystyle [0,8]에서 정의된 함수

f(x)={1(x1)2(0x2)9(x5)2(2<x8)\displaystyle f(x)=\begin{cases}\sqrt{1-(x-1)^2}&(0\le x\le2)\\\sqrt{9-(x-5)^2}&(2<x\le8)\end{cases}

의 그래프와 x\displaystyle x축이 둘러 싼 영역에 그림과 같이 빛이 비쳐, x\displaystyle x축의 x0\displaystyle x\le0인 구간에 그림자가 생긴다. 시각 t(0<t<π2)\displaystyle t\left(0<t<\frac\pi2\right)에서 빛이 x\displaystyle x축과 이루는 각은 t\displaystyle t이다. 시각 t\displaystyle t에서 그림자의 길이를 g(t)\displaystyle g(t)라 하자.

두 반원에 비치는 빛과 그림자

(3-1) g(π4)\displaystyle g\left(\frac\pi4\right)의 값을 구하시오. (50점)

(3-2) 0<t<π2\displaystyle 0<t<\frac\pi2에서 함수 g(t)\displaystyle g(t)를 구하고, g(t)\displaystyle g(t)가 미분가능하지 않은 t\displaystyle t의 값을 구하시오. (50점)

(3-3) s>0\displaystyle s>0에 대하여 그림자의 길이가 s\displaystyle s가 되는 시각을 h(s)\displaystyle h(s)라 할 때, h(4)\displaystyle h\prime(4)를 구하시오. (50점)

해설강의 준비중

(3-1) t=π4\displaystyle t=\frac\pi4일 때, 그림자의 길이는 반지름 1의 반원에 의해서 결정된다. x\displaystyle x축과 π4\displaystyle \frac\pi4의 각을 이루면서 반지름 1의 반원에 접하는 직선의 x\displaystyle x-절편은 12\displaystyle 1-\sqrt2이므로 그림자의 길이는

50점 · 답 21\displaystyle \sqrt2-1을 찾으면

g(π4)=21\displaystyle g\left(\frac\pi4\right)=\sqrt2-1이다.

각이 사분의 파이일 때의 접선

(3-2) 두 반원에 공통으로 접하는 직선이 x\displaystyle x축과 이루는 각은 t=π6\displaystyle t=\frac\pi6이다. 0<t<π6\displaystyle 0<t<\frac\pi6에서 그림자의 길이는 반지름 3의 반원에 의하여 결정되고, π6<t<π2\displaystyle \frac\pi6<t<\frac\pi2에서 그림자의 길이는 반지름 1의 반원에 의하여 결정된다. 따라서 함수 g(t)\displaystyle g(t)는 다음과 같이 정의된다.

두 반원의 공통접선과 그림자
+30점 · g(t)={3sint5(0<tπ6)1sint1(π6<t<π2)\displaystyle g(t)=\begin{cases}\frac3{\sin t}-5&\left(0<t\le\frac\pi6\right)\\\frac1{\sin t}-1&\left(\frac\pi6<t<\frac\pi2\right)\end{cases}를 기술하면

g(t)={3sint5(0<tπ6)1sint1(π6<t<π2)\displaystyle g(t)=\begin{cases}\frac3{\sin t}-5&\left(0<t\le\frac\pi6\right)\\\frac1{\sin t}-1&\left(\frac\pi6<t<\frac\pi2\right)\end{cases}

+20점 · limtπ/6+0g(t)1tπ/6=23\displaystyle \lim_{t\to\pi/6+0}\frac{g(t)-1}{t-\pi/6}=-2\sqrt3, limtπ/60g(t)1tπ/6=63\displaystyle \lim_{t\to\pi/6-0}\frac{g(t)-1}{t-\pi/6}=-6\sqrt3를 계산하고 t=π6\displaystyle t=\frac\pi6에 미분이 안된다고 하면

또한 t=π6\displaystyle t=\frac\pi6에서 limtπ/6+0g(t)1tπ/6=23\displaystyle \lim_{t\to\pi/6+0}\frac{g(t)-1}{t-\pi/6}=-2\sqrt3, limtπ/60g(t)1tπ/6=63\displaystyle \lim_{t\to\pi/6-0}\frac{g(t)-1}{t-\pi/6}=-6\sqrt3가 되므로 t=π6\displaystyle t=\frac\pi6에 미분이 불가능하다.

(3-3) 그림자의 길이는 t\displaystyle t가 커질수록 짧아지며, t=π6\displaystyle t=\frac\pi6일 때 그림자의 길이는 1이다. 따라서 s1\displaystyle s\ge1에 대하여 s=g(h(s))=3sinh(s)5\displaystyle s=g(h(s))=\frac3{\sin h(s)}-5가 성립한다. 양변을 s\displaystyle s로 미분하면 다음을 얻는다.

1=3cosh(s)sin2h(s)h(s).\displaystyle 1=-\frac{3\cos h(s)}{\sin^2h(s)}h\prime(s).

이제 4=3sin(h(4))5\displaystyle 4=\frac3{\sin(h(4))}-5에서 sin(h(4))=13\displaystyle \sin(h(4))=\frac13이고 cos(h(4))=223\displaystyle \cos(h(4))=\frac{2\sqrt2}3이므로

50점 · 답 h(4)=1182\displaystyle h\prime(4)=-\frac1{18\sqrt2}을 찾으면 풀이방법에 상관없이

h(4)=1182\displaystyle h\prime(4)=-\frac1{18\sqrt2}이다.

(3-1) 반지름 1의 반원에 접하는 직선을 그렸거나 세 변의 길이가 1,1,2\displaystyle 1,1,\sqrt2인 직각삼각형을 그렸으면 (30점)

(3-2) (합산으로 채점)

(3-2) 함수표현은 맞고 구간이 틀리면 (15점)

(3-2) 증명 없이 t=π6\displaystyle t=\frac\pi6에서 미분이 안된다고 하면 (10점)

(3-3) 답이 틀린 경우: 다음 두 부분점수의 합산으로 채점

(1) 1=3cosh(s)sin2h(s)h(s)\displaystyle 1=-\frac{3\cos h(s)}{\sin^2h(s)}h\prime(s) 또는 h(s)=sin2h(s)3cosh(s)\displaystyle h\prime(s)=-\frac{\sin^2h(s)}{3\cos h(s)}을 얻으면 (25점)

(별해)에서는 1=h(g(t))(3costsin2t)\displaystyle 1=h\prime(g(t))\cdot\left(-\frac{3\cos t}{\sin^2t}\right)을 얻으면 (25점)

(2) sin(h(4))=13\displaystyle \sin(h(4))=\frac13cos(h(4))=223\displaystyle \cos(h(4))=\frac{2\sqrt2}3를 찾으면 (20점)

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