수리논술, 이게 다다.

자연계열 A 3번

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문제

[문제 3] 그림과 같이 좌표평면에서 OA‾=22\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}=2\sqrt2, OB‾=AB‾=2\displaystyle \overline{\mathrm{OB}}=\overline{\mathrm{AB}}=2인 직각삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}에 대하여 선분 OB\displaystyle \mathrm{OB}가 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각이 θ\displaystyle \theta이다. (단, 0≤θ<π2\displaystyle 0\le\theta<\frac\pi2) 직선 l:y=1\displaystyle l:y=1이 삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}와 만나는 두 점을 왼쪽부터 각각 C\displaystyle \mathrm C, D\displaystyle \mathrm D라 하자. (단, O\displaystyle \mathrm O는 원점이다.)

직선 y=1과 회전하는 직각삼각형 OAB의 두 위치

(3-1) A\displaystyle \mathrm A의 좌표와 B\displaystyle \mathrm B의 좌표를 각각 θ\displaystyle \theta의 식으로 나타내시오. 또한 D\displaystyle \mathrm D가 선분 OB\displaystyle \mathrm{OB} 위에 있는 경우 θ\displaystyle \theta의 값의 범위를 구하시오. (80점)

(3-2) t=tan⁡θ\displaystyle t=\tan\theta일 때, 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}의 길이를 f(t)\displaystyle f(t)라 하자. D\displaystyle \mathrm D가 선분 OB\displaystyle \mathrm{OB} 위에 있는 경우 f(t)\displaystyle f(t)를 구하고 f(t)\displaystyle f(t)의 최솟값과 최댓값을 각각 구하시오. (80점)

(3-3) 직선 l\displaystyle l이 나누는 삼각형의 두 영역 중 l\displaystyle l 위의 영역의 넓이를 a\displaystyle a, l\displaystyle l 아래의 영역의 넓이를 b\displaystyle b라 하자. 0≤θ<π2\displaystyle 0\le\theta<\frac\pi2일 때, a×b\displaystyle a\times b의 최솟값과 최댓값을 각각 구하시오. (80점)

해설강의 준비중
+20점

(3-1) A\displaystyle \mathrm A와 B\displaystyle \mathrm B의 좌표는 각각 A(22cos⁡(θ+π4),22sin⁡(θ+π4))\displaystyle \mathrm A(2\sqrt2\cos(\theta+\frac\pi4),2\sqrt2\sin(\theta+\frac\pi4))

+20점

, B(2cos⁡θ,2sin⁡θ)\displaystyle \mathrm B(2\cos\theta,2\sin\theta)이다.

+40점 · π6≤θ<π2\displaystyle \frac\pi6\le\theta<\frac\pi2 또는 θ≥π6\displaystyle \theta\ge\frac\pi6

D\displaystyle \mathrm D가 선분 OB\displaystyle \mathrm{OB} 위에 있으려면 2sin⁡θ≥1\displaystyle 2\sin\theta\ge1이어야 하므로 π6≤θ<π2\displaystyle \frac\pi6\le\theta<\frac\pi2이다.

+10점 · C\displaystyle \mathrm C의 좌표 (cot⁡(θ+π4),1)\displaystyle (\cot(\theta+\frac\pi4),1)
+10점 · D\displaystyle \mathrm D의 좌표 (cot⁡θ,1)\displaystyle (\cot\theta,1)

(3-2) π6≤θ<π2\displaystyle \frac\pi6\le\theta<\frac\pi2인 경우 C\displaystyle \mathrm C의 좌표는 (cot⁡(θ+π4),1)\displaystyle (\cot(\theta+\frac\pi4),1)이며, D\displaystyle \mathrm D의 좌표는 (cot⁡θ,1)\displaystyle (\cot\theta,1)이다.

+20점

따라서 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}의 길이는 cot⁡θ−cot⁡(θ+π4)\displaystyle \cot\theta-\cot(\theta+\frac\pi4)이다. t=tan⁡θ\displaystyle t=\tan\theta로 치환하면 π6≤θ<π2\displaystyle \frac\pi6\le\theta<\frac\pi2이므로, t≥13\displaystyle t\ge\frac1{\sqrt3}이다. 그런데cot⁡θ−cot⁡(θ+π4)=1tan⁡θ−1tan⁡(θ+π4)=1tan⁡θ−11+tan⁡θ1−tan⁡θ\displaystyle \cot\theta-\cot(\theta+\frac\pi4)=\frac1{\tan\theta}-\frac1{\tan(\theta+\frac\pi4)}=\frac1{\tan\theta}-\frac1{\frac{1+\tan\theta}{1-\tan\theta}}이므로, 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}의 길이 f(t)\displaystyle f(t)는 f(t)=1t−1−t1+t\displaystyle f(t)=\frac1t-\frac{1-t}{1+t}이다. 또한 t≥13\displaystyle t\ge\frac1{\sqrt3}에서 f′(t)=t2−2t−1t2(1+t)2=0\displaystyle f\prime(t)=\frac{t^2-2t-1}{t^2(1+t)^2}=0을 풀어 t=1+2\displaystyle t=1+\sqrt2를 얻는다. 따라서 13≤t<1+2\displaystyle \frac1{\sqrt3}\le t<1+\sqrt2에서 f′(t)<0\displaystyle f\prime(t)<0이고, t>1+2\displaystyle t>1+\sqrt2에서 f′(t)>0\displaystyle f\prime(t)>0이다.

+20점 · f(t)\displaystyle f(t)의 최솟값 f(1+2)=22−2\displaystyle f(1+\sqrt2)=2\sqrt2-2
+20점 · f(t)\displaystyle f(t)의 최댓값은 f(13)=23−2\displaystyle f(\frac1{\sqrt3})=2\sqrt3-2

f(13)=23−2>1\displaystyle f(\frac1{\sqrt3})=2\sqrt3-2>1, f(1+2)=22−2\displaystyle f(1+\sqrt2)=2\sqrt2-2이고, lim⁡t→∞f(t)=1\displaystyle \lim_{t\to\infty}f(t)=1이므로 t≥13\displaystyle t\ge\frac1{\sqrt3}에서 f(t)\displaystyle f(t)의 최솟값은 f(1+2)=22−2\displaystyle f(1+\sqrt2)=2\sqrt2-2이고, 최댓값은 f(13)=23−2\displaystyle f(\frac1{\sqrt3})=2\sqrt3-2이다.

(3-3) a=2−b\displaystyle a=2-b이다. g(b)=a×b=b(2−b)\displaystyle g(b)=a\times b=b(2-b)라 두자. 0≤θ≤π6\displaystyle 0\le\theta\le\frac\pi6인 경우, θ\displaystyle \theta가 증가함에 따라 명백히 a\displaystyle a는 증가하고, b=2−a\displaystyle b=2-a는 감소한다.

삼각형이 회전할 때 직선 위 영역의 증가
+30점 · 0≤θ≤π6\displaystyle 0\le\theta\le\frac\pi6인 경우 3−1≤b≤32\displaystyle \sqrt3-1\le b\le\frac32 또는 이와 동등한 식을 보이면

θ=0\displaystyle \theta=0일 때, b=32\displaystyle b=\frac32이고, θ=π6\displaystyle \theta=\frac\pi6일 때, b=3−1\displaystyle b=\sqrt3-1이므로 0≤θ≤π6\displaystyle 0\le\theta\le\frac\pi6인 경우 3−1≤b≤32\displaystyle \sqrt3-1\le b\le\frac32이다.

+30점 · π6≤θ<π2\displaystyle \frac\pi6\le\theta<\frac\pi2인 경우 2−1≤b≤3−1\displaystyle \sqrt2-1\le b\le\sqrt3-1 또는 이와 동등한 식을 보이면

또한 π6≤θ<π2\displaystyle \frac\pi6\le\theta<\frac\pi2일 때, 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}의 길이의 최솟값은 22−2\displaystyle 2\sqrt2-2이고, 최댓값은 23−2\displaystyle 2\sqrt3-2이므로 이 경우 2−1≤b≤3−1\displaystyle \sqrt2-1\le b\le\sqrt3-1이다. 따라서 0≤θ<π2\displaystyle 0\le\theta<\frac\pi2일 때, 2−1≤b≤32\displaystyle \sqrt2-1\le b\le\frac32이다.

+20점 · 최댓값은 1\displaystyle 1, 최솟값은 42−5\displaystyle 4\sqrt2-5

1−(2−1)>32−1\displaystyle 1-(\sqrt2-1)>\frac32-1이므로 2−1≤b≤32\displaystyle \sqrt2-1\le b\le\frac32일 때, g(b)\displaystyle g(b)의 최댓값은 g(1)=1\displaystyle g(1)=1, 최솟값은 g(2−1)=(2−1)(3−2)=42−5\displaystyle g(\sqrt2-1)=(\sqrt2-1)(3-\sqrt2)=4\sqrt2-5이다.

구간에서 y=b(2-b)의 최댓값과 최솟값

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