수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

그림과 같이 평면 위의 네 점 A(0,0)\displaystyle \mathrm A(0,0), B(4,0)\displaystyle \mathrm B(4,0), C(4,4)\displaystyle \mathrm C(4,4), D(0,4)\displaystyle \mathrm D(0,4)로 이루어진 정사각형 모양의 종이 ABCD가 있다. 이 종이를 점 B가 변 CD 위에 오도록 접을 때, 접히는 선을 선분 GH라 하자. 이 선분 GH에 대하여 점 B의 대칭인 CD 위의 점을 E라 하고, 점 A의 대칭인 점을 F라 하자. 또한 선분 AB가 접히는 선분 GH에 대하여 대칭 이동한 선분 FE가 선분 AD와 만나는 점을 K라 하자. 점 D와 점 E 사이의 거리는 t\displaystyle t라 하자.

정사각형 ABCD를 GH를 따라 접어 B를 E로 옮긴 그림

[2.1] 점 H의 y\displaystyle y좌표를 t\displaystyle t에 관한 식으로 나타내시오.

[2.2] 직각삼각형 △CEH\displaystyle \triangle\mathrm{CEH}, △DKE\displaystyle \triangle\mathrm{DKE}, △FKG\displaystyle \triangle\mathrm{FKG}는 닮은 삼각형이다. 세 삼각형 △CEH\displaystyle \triangle\mathrm{CEH}와 △DKE\displaystyle \triangle\mathrm{DKE}, 그리고 △FKG\displaystyle \triangle\mathrm{FKG}의 닮음비를 a:t:b\displaystyle a:t:b라 할 때, a,b\displaystyle a,b를 t\displaystyle t에 관한 식으로 나타내시오.

[2.3] 직각삼각형 △CEH\displaystyle \triangle\mathrm{CEH}의 넓이가 최대가 될 때, 점 E의 x\displaystyle x좌표를 구하시오.

해설강의 준비중

[2.1]

접은 종이에서 길이 t, 4−t, h, 4−h와 세 닮은 삼각형

점 D로부터 점 E까지 이동한 거리를 t\displaystyle t라 하고 점 B로부터 점 H까지의 거리를 h\displaystyle h라 하자.정사각형 ABCD의 한 변의 길이는 4\displaystyle 4이므로, 점 E와 점 C 사이의 거리 EC‾=4−t\displaystyle \overline{\mathrm{EC}}=4-t, 점 C와 점 H 사이의 거리 CH‾=4−h\displaystyle \overline{\mathrm{CH}}=4-h이다.삼각형 △CEH\displaystyle \triangle\mathrm{CEH}는 직각삼각형이므로 피타고라스의 정리에 의해,h2=(4−t)2+(4−h)2⇒h2=(4−t)2+16−8h+h2⇒8h=(4−t)2+16⇒h=t2−8t+328ort28−t+4\displaystyle \begin{aligned}h^2&=(4-t)^2+(4-h)^2\\\Rightarrow\quad h^2&=(4-t)^2+16-8h+h^2\\\Rightarrow\quad8h&=(4-t)^2+16\\\Rightarrow\quad h&=\frac{t^2-8t+32}8\quad\text{or}\quad\frac{t^2}8-t+4\end{aligned}이므로 H의 y\displaystyle y좌표는 t28−t+4\displaystyle \frac{t^2}8-t+4이다.

[2.2] 삼각형의 닮음비는 닮은 삼각형의 대응하는 변의 길이의 비와 같다.따라서, 세 삼각형 △CEH\displaystyle \triangle\mathrm{CEH}와 △DKE\displaystyle \triangle\mathrm{DKE}, 그리고 △FKG\displaystyle \triangle\mathrm{FKG}의 닮음비는 세 변의 길이 CH‾,DE‾,FG‾\displaystyle \overline{\mathrm{CH}},\overline{\mathrm{DE}},\overline{\mathrm{FG}}의 비와 같다.DE‾=t\displaystyle \overline{\mathrm{DE}}=t로 놓으면, [2.1]에서 구한 h\displaystyle h를 이용하여CH‾=4−h=4−t2−8t+328=−t2−8t8ort−t28or8t−t28\displaystyle \overline{\mathrm{CH}}=4-h=4-\frac{t^2-8t+32}8=-\frac{t^2-8t}8\quad\text{or}\quad t-\frac{t^2}8\quad\text{or}\quad\frac{8t-t^2}8이다.FG‾\displaystyle \overline{\mathrm{FG}}를 구하기 위해서는 사각형 □ABHG\displaystyle \square\mathrm{ABHG}와 사각형 □FEHG\displaystyle \square\mathrm{FEHG}는 합동이고 대각선 EG‾=BG‾\displaystyle \overline{\mathrm{EG}}=\overline{\mathrm{BG}}임을 이용한다.b2=FG‾ 2=AG‾ 2=BG‾ 2−AB‾ 2=EG‾ 2−42=ED‾ 2+DG‾ 2−42=t2+(4−b)2−42\displaystyle \begin{aligned}b^2=\overline{\mathrm{FG}}^{\,2}&=\overline{\mathrm{AG}}^{\,2}\\&=\overline{\mathrm{BG}}^{\,2}-\overline{\mathrm{AB}}^{\,2}\\&=\overline{\mathrm{EG}}^{\,2}-4^2\\&=\overline{\mathrm{ED}}^{\,2}+\overline{\mathrm{DG}}^{\,2}-4^2\\&=t^2+(4-b)^2-4^2\end{aligned}b2=t2+16−8b+b2−16⇒8b=t2⇒b=t28\displaystyle \begin{aligned}b^2&=t^2+16-8b+b^2-16\\\Rightarrow\quad8b&=t^2\\\Rightarrow\quad b&=\frac{t^2}8\end{aligned}따라서 세 삼각형 △CEH\displaystyle \triangle\mathrm{CEH}와 △DKE\displaystyle \triangle\mathrm{DKE}, 그리고 △FKG\displaystyle \triangle\mathrm{FKG}의 닮음비 =CH‾:DE‾:FG‾=8t−t28:t:t28\displaystyle =\overline{\mathrm{CH}}:\overline{\mathrm{DE}}:\overline{\mathrm{FG}}=\frac{8t-t^2}8:t:\frac{t^2}8이므로 a=8t−t28\displaystyle a=\frac{8t-t^2}8, b=t28\displaystyle b=\frac{t^2}8이다.

[2.3] 삼각형 △CEH\displaystyle \triangle\mathrm{CEH}의 넓이 f(t)\displaystyle f(t)는f(t)=12t(8−t)8⋅(4−t)=116t(8−t)(4−t)=116(t3−12t2+32t)\displaystyle f(t)=\frac12\frac{t(8-t)}8\cdot(4-t)=\frac1{16}t(8-t)(4-t)=\frac1{16}(t^3-12t^2+32t)로 나타낼 수 있다. 3\displaystyle 3차 함수의 최댓값을 구하기 위해 미분을 이용한다.f′(t)=116(3t2−24t+32)⇒t=−(−12)±(−12)2−3⋅323=43(3±3)\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(t)=\frac1{16}(3t^2-24t+32)\quad\Rightarrow\quad t&=\frac{-(-12)\pm\sqrt{(-12)^2-3\cdot32}}3\\&=\frac43(3\pm\sqrt3)\end{aligned}0≤t≤4\displaystyle 0\leq t\leq4이고, t=43(3−3)\displaystyle t=\frac43(3-\sqrt3)에서 극댓값을 가지므로, t=43(3−3)\displaystyle t=\frac43(3-\sqrt3)에서 f(t)\displaystyle f(t)는 최대가 된다. 따라서 점 E의 x\displaystyle x좌표는 43(3−3)\displaystyle \frac43(3-\sqrt3)이다.

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