수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 B 3번

문제

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+20점 · PO2O1=π6α\displaystyle \angle\mathrm{PO_2O_1}=\frac\pi6-\alpha를 얻으면 +20점 · 0<α<π6\displaystyle 0<\alpha<\frac\pi6을 얻으면 +40점 · f(α)=4(πα)sin(π6α)+4(5π6+α)sinα\displaystyle f(\alpha)=4(\pi-\alpha)\sin(\frac\pi6-\alpha)+4(\frac{5\pi}6+\alpha)\sin\alpha

(3-1) PO2O1=β\displaystyle \angle\mathrm{PO_2O_1}=\beta라 하자. 원 C1\displaystyle C_1의 점 P\displaystyle \mathrm P에서의 접선과 선분 PO1\displaystyle \mathrm{PO_1}이 서로 수직이며, 원 C2\displaystyle C_2의 점 P\displaystyle \mathrm P에서의 접선과 선분 PO2\displaystyle \mathrm{PO_2}가 서로 수직이므로 O1PO2=5π6\displaystyle \angle\mathrm{O_1PO_2}=\frac{5\pi}6이다. 따라서 α+β=π6\displaystyle \alpha+\beta=\frac\pi6이므로, PO2O1=β=π6α\displaystyle \angle\mathrm{PO_2O_1}=\beta=\frac\pi6-\alpha이다. 그리고 α>0\displaystyle \alpha>0, β>0\displaystyle \beta>0이므로 0<α<π6\displaystyle 0<\alpha<\frac\pi6이다.또한, 삼각형 O1O2P\displaystyle \mathrm{O_1O_2P}에 사인법칙을 적용하면ssinα=rsinβ=1sin5π6=2\displaystyle \frac s{\sin\alpha}=\frac r{\sin\beta}=\frac1{\sin\frac{5\pi}6}=2이므로 s=2sinα\displaystyle s=2\sin\alpha, r=2sinβ\displaystyle r=2\sin\beta이다.그러므로 구하는 길이 중 C1\displaystyle C_1에 속하는 부분의 길이는 2(πα)r=4(πα)sinβ\displaystyle 2(\pi-\alpha)r=4(\pi-\alpha)\sin\beta이고, C2\displaystyle C_2에 속하는 부분의 길이는 2(πβ)s=4(πβ)sinα\displaystyle 2(\pi-\beta)s=4(\pi-\beta)\sin\alpha이다. 따라서 다음을 얻는다.f(α)=4(πα)sinβ+4(πβ)sinα=4(πα)sin(π6α)+4(5π6+α)sinα\displaystyle f(\alpha)=4(\pi-\alpha)\sin\beta+4(\pi-\beta)\sin\alpha=4(\pi-\alpha)\sin(\frac\pi6-\alpha)+4(\frac{5\pi}6+\alpha)\sin\alpha

+10점 · g(α)=4{sinα+(5π6+α)cosα}\displaystyle g\prime(\alpha)=4\{\sin\alpha+(\frac{5\pi}6+\alpha)\cos\alpha\} +10점 · g(α)=4{2cosα(5π6+α)sinα}\displaystyle g\prime\prime(\alpha)=4\{2\cos\alpha-(\frac{5\pi}6+\alpha)\sin\alpha\} +40점 · g(α)>0\displaystyle g\prime\prime(\alpha)>0임을 보이면 +10점 · a\displaystyle a의 최댓값은 10π3\displaystyle \frac{10\pi}3 +10점 · b\displaystyle b의 최솟값은 2+23π\displaystyle 2+2\sqrt3\pi

(3-2) g(α)=4(πβ)sinα=4(5π6+α)sinα\displaystyle g(\alpha)=4(\pi-\beta)\sin\alpha=4(\frac{5\pi}6+\alpha)\sin\alpha이고, g(α)=4{sinα+(5π6+α)cosα}\displaystyle g\prime(\alpha)=4\{\sin\alpha+(\frac{5\pi}6+\alpha)\cos\alpha\}, g(α)=4{2cosα(5π6+α)sinα}\displaystyle g\prime\prime(\alpha)=4\{2\cos\alpha-(\frac{5\pi}6+\alpha)\sin\alpha\}이다. 그런데 0<α<π6\displaystyle 0<\alpha<\frac\pi6이므로 2cosα>3\displaystyle 2\cos\alpha>\sqrt3이고, (5π6+α)sinα<π2\displaystyle (\frac{5\pi}6+\alpha)\sin\alpha<\frac\pi2이다. 그러므로g(α)=4{2cosα(5π6+α)sinα}>4(3π2)>0\displaystyle g\prime\prime(\alpha)=4\{2\cos\alpha-(\frac{5\pi}6+\alpha)\sin\alpha\}>4(\sqrt3-\frac\pi2)>0이고, g(α)\displaystyle g\prime(\alpha)는 증가함수이다. 그런데 limα0+g(α)=10π3\displaystyle \lim_{\alpha\to0+}g\prime(\alpha)=\frac{10\pi}3, limαπ6g(α)=2+23π\displaystyle \lim_{\alpha\to\frac\pi6-}g\prime(\alpha)=2+2\sqrt3\pi이므로 a\displaystyle a의 최댓값은 10π3\displaystyle \frac{10\pi}3이고 b\displaystyle b의 최솟값은 2+23π\displaystyle 2+2\sqrt3\pi이다.

+30점 · f(α)=g(π6α)+g(α)\displaystyle f(\alpha)=g(\frac\pi6-\alpha)+g(\alpha) +10점 · g(α)\displaystyle g\prime(\alpha)는 증가함수임을 언급하면 +30점 · f(α)=g(α)g(π6α)=0\displaystyle f\prime(\alpha)=g\prime(\alpha)-g\prime(\frac\pi6-\alpha)=0이기 위해서는 α=π6α\displaystyle \alpha=\frac\pi6-\alpha +10점 · α=π12\displaystyle \alpha=\frac\pi{12}에서 f(α)\displaystyle f(\alpha)는 최솟값

(3-3) f(α)=4(πα)sin(π6α)+4(5π6+α)sinα=g(π6α)+g(α)\displaystyle f(\alpha)=4(\pi-\alpha)\sin(\frac\pi6-\alpha)+4(\frac{5\pi}6+\alpha)\sin\alpha=g(\frac\pi6-\alpha)+g(\alpha)이다. 따라서, f(α)=g(π6α)+g(α)\displaystyle f\prime(\alpha)=-g\prime(\frac\pi6-\alpha)+g\prime(\alpha)이다. 그런데 (3-2)로부터 g(α)\displaystyle g\prime(\alpha)는 증가함수이다. 따라서 0<x<π6\displaystyle 0<x<\frac\pi6, 0<y<π6\displaystyle 0<y<\frac\pi6일 때 g(x)=g(y)\displaystyle g\prime(x)=g\prime(y)이면 x=y\displaystyle x=y이다. 그러므로, f(α)=g(α)g(π6α)=0\displaystyle f\prime(\alpha)=g\prime(\alpha)-g\prime(\frac\pi6-\alpha)=0이기 위해서는 α=π6α\displaystyle \alpha=\frac\pi6-\alpha이어야 한다. 즉, 0<α<π6\displaystyle 0<\alpha<\frac\pi6에서 f(α)=0\displaystyle f\prime(\alpha)=0인 곳은 α=π12\displaystyle \alpha=\frac\pi{12}뿐이다. 또한 (3-2)로부터 g(α)>0\displaystyle g\prime\prime(\alpha)>0이므로, f(π12)=g(π12)+g(π12)>0\displaystyle f\prime\prime(\frac\pi{12})=g\prime\prime(\frac\pi{12})+g\prime\prime(\frac\pi{12})>0이고, α=π12\displaystyle \alpha=\frac\pi{12}에서 f(α)\displaystyle f(\alpha)는 최솟값을 갖는다.

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