수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 작은 배가 강둑에서 출발하여 흐르는 강물에 수직 방향으로 움직인다. 시각 t\displaystyle t에서 강물에 대한 배의 속도 v⃗(t)\displaystyle \vec v(t)는 다음과 같다.v⃗(t)={2t e⃗2(0≤t<2)(8−2t)e⃗2(t≥2)\displaystyle \vec v(t)=\begin{cases}2t\,\vec e_2&(0\leq t<2)\\(8-2t)\vec e_2&(t\geq2)\end{cases}(단, e⃗1=(1,0)\displaystyle \vec e_1=(1,0), e⃗2=(0,1)\displaystyle \vec e_2=(0,1).)강물은 배가 움직이는 동안 동쪽으로 시각 t\displaystyle t에서 u⃗(t)=t e⃗1\displaystyle \vec u(t)=t\,\vec e_1의 속도로 흐르고 있어서, 강둑에 서 있는 사람에게는 배가 그림과 같은 궤적을 따라 움직이는 것으로 관찰된다.(단, 배의 크기는 무시하기로 한다.)

강둑에서 출발하여 북쪽으로 갔다가 동쪽의 강둑으로 돌아오는 배

(나) 강둑에 대한 강물의 속도를 u⃗\displaystyle \vec u, 강물에 대한 배의 속도를 v⃗\displaystyle \vec v, 강둑에 대한 배의 속도를 w⃗\displaystyle \vec w라 하면, 세 속도 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.w⃗=u⃗+v⃗\displaystyle \vec w=\vec u+\vec v

강물의 동쪽 속도와 배의 북쪽 또는 남쪽 속도를 더하는 벡터 그림

[3.1] 배가 강둑에서 북쪽으로 가장 멀리 도달할 때까지 걸린 시간을 구하시오.

[3.2] 배가 강둑에서 북쪽으로 가장 멀리 도달할 때 배와 강둑 사이의 거리를 구하시오.

[3.3] 배가 강둑을 출발하여 제시문 (가)의 그림과 같이 다시 강둑에 부딪힐 때까지, 동쪽으로 움직인 총 거리를 구하시오.

[3.4] 배가 출발한 후 6초가 되는 순간 강물에 대한 배의 속도를 v⃗(t)=[−4+c(t−6)]e⃗2\displaystyle \vec v(t)=[-4+c(t-6)]\vec e_2로 변경하였더니 강둑에 도달할 때 v⃗(t)=0⃗\displaystyle \vec v(t)=\vec0이 되었다. 이때 상수 c\displaystyle c를 구하시오.

해설강의 준비중

[3.1] 배가 북쪽으로 가장 멀리 도달할 때 v⃗(t)=0\displaystyle \vec v(t)=0는 이어야 한다. 따라서 8−2t=0\displaystyle 8-2t=0이 성립해야하며, 이 방정식을 풀면 t=4\displaystyle t=4이다. (답: t=4\displaystyle t=4)

[3.2] v⃗(t)=v(t)e⃗2\displaystyle \vec v(t)=v(t)\vec e_2라 하자. 강둑의 수직 방향 위치를 y=0\displaystyle y=0이라고 하면, 배가 북쪽으로 가장 멀리 도달할 때 배의 위치 y\displaystyle y는 다음과 같이 주어진다.y=∫04v(t) dt=∫022t dt+∫24(8−2t) dt\displaystyle y=\int_0^4v(t)\,dt=\int_0^22t\,dt+\int_2^4(8-2t)\,dt위 식에서 적분을 하면, 4+8×(4−2)−(42−22)=8\displaystyle 4+8\times(4-2)-(4^2-2^2)=8이다. (답: 8\displaystyle 8)

[3.3] 배가 북쪽으로 가장 멀리 도달한 후 다시 강둑으로 향한다. t=4\displaystyle t=4일 때 y=8\displaystyle y=8이며, 강둑을 향하여 움직인 후 t=tf\displaystyle t=t_f에서 y=0\displaystyle y=0이 되어야 한다. t=4\displaystyle t=4부터 t=tf\displaystyle t=t_f까지 v(t)=8−2t\displaystyle v(t)=8-2t이므로,y=8+∫4tf(8−2t) dt=0\displaystyle y=8+\int_4^{t_f}(8-2t)\,dt=0이 된다.위 식으로부터 2차 방정식 tf2−8tf+8=0\displaystyle t_f^2-8t_f+8=0을 얻는다. 이 방정식을 풀었을 때, 얻을 수 있는 해 중 적절한 해는 tf=4+22\displaystyle t_f=4+2\sqrt2이다.한편, 시간 tf\displaystyle t_f동안 배는 동쪽 방향으로 u(t)=1t\displaystyle u(t)=1t의 속력으로 움직인다. 동쪽 방향의 이동거리를 x\displaystyle x라 하면, x=∫0tfu(t) dt=∫04+221t dt=12(4+22)2=12+82\displaystyle x=\int_0^{t_f}u(t)\,dt=\int_0^{4+2\sqrt2}1t\,dt=\frac12(4+2\sqrt2)^2=12+8\sqrt2이다. (답: 12+82\displaystyle 12+8\sqrt2)

[3.4] 출발 후 t=6\displaystyle t=6일 때 배의 북쪽 방향의 위치 y\displaystyle y는y=∫06v(t) dt=∫022t dt+∫26(8−2t) dt\displaystyle y=\int_0^6v(t)\,dt=\int_0^22t\,dt+\int_2^6(8-2t)\,dt로 주어진다.위 식에서 적분을 하면 y=4\displaystyle y=4가 된다. 따라서 t=6\displaystyle t=6이후에는 남쪽으로 8−4=4\displaystyle 8-4=4만큼 더 이동한 후 v(t)=0\displaystyle v(t)=0이 되어야 한다.y\displaystyle y축 방향으로의 위치 변화 Δy\displaystyle \Delta y는Δy=−4=∫6tf(−4+c(t−6)) dt\displaystyle \Delta y=-4=\int_6^{t_f}(-4+c(t-6))\,dt로 주어지며, 적분을 하면 다음과 같다.−4=(−4−6c)(tf−6)+c2(tf2−36)(1)\displaystyle -4=(-4-6c)(t_f-6)+\frac c2(t_f^2-36)\qquad(1)한편 v(tf)=0\displaystyle v(t_f)=0이어야 하므로,−4+c(tf−6)=0로부터 c=4tf−6(2)\displaystyle -4+c(t_f-6)=0\text{로부터 }c=\frac4{t_f-6}\qquad(2)식 (2)를 식 (1)에 대입하면 이차방정식 tf2−14tf+48=0\displaystyle t_f^2-14t_f+48=0을 얻는다.위 이차방정식을 풀었을 때 얻을 수 있는 해 중 적절한 해는 tf=8\displaystyle t_f=8이다.tf=8\displaystyle t_f=8을 식 (2)에 대입하면 c=2\displaystyle c=2이다. (답: 2\displaystyle 2)

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