수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

아래 그림은 중심이 점 C(2,0)\displaystyle \mathrm{C}(2,0)이고 반지름의 길이가 2\displaystyle 2인 원과 그 위의 점 P를 지나는 직선을 나타낸다.

중심 C인 원, 호 OP, 직선 PQR과 넓이 S₁, S₂

(가) 점 P는 제1사분면에 있고, y\displaystyle y축과 선분 OP가 이루는 예각을 θ\displaystyle \theta라 하자.

(나) 점 Q는 y\displaystyle y축 위에 있고, 선분 OQ의 길이는 호 OP의 길이와 같다.

(다) 두 점 P, Q를 지나는 직선이 x\displaystyle x축과 만나는 점은 R이다.

(라) 호 OP와 선분 OP로 둘러싸인 도형의 넓이를 S1\displaystyle S_1, 삼각형 ORP의 넓이를 S2\displaystyle S_2, f(θ)=S1×S2θ\displaystyle f(\theta)=\frac{S_1\times S_2}{\theta}라 하자.

[2.1] ∠OCP\displaystyle \angle\mathrm{OCP}의 크기를 θ\displaystyle \theta에 대한 식으로 나타내시오.

[2.2] S1\displaystyle S_1을 θ\displaystyle \theta에 대한 식으로 나타내시오.

[2.3] θ=π6\displaystyle \theta=\frac\pi6일 때, 두 점 P, Q를 지나는 직선의 기울기를 구하시오.

[2.4] 0<θ<π2\displaystyle 0<\theta<\frac\pi2일 때, 함수 f(θ)\displaystyle f(\theta)의 최댓값을 구하시오.

해설강의 준비중
+6점

[2.1] 삼각형 OCP는 이등변삼각형이고 ∠OPC=∠POC=π2−θ\displaystyle \angle\mathrm{OPC}=\angle\mathrm{POC}=\frac\pi2-\theta이므로∠OCP=π−∠POC−∠OPC=2θ\displaystyle \angle\mathrm{OCP}=\pi-\angle\mathrm{POC}-\angle\mathrm{OPC}=2\theta이다.

+6점

[2.2] 부채꼴 OCP의 넓이는12×22×2θ=4θ\displaystyle \frac12\times2^2\times2\theta=4\theta이고, 삼각형 OCP의 넓이는12×2×2sin⁡2θ=2sin⁡2θ\displaystyle \frac12\times2\times2\sin2\theta=2\sin2\theta이므로 S1=2(2θ−sin⁡2θ)\displaystyle S_1=2(2\theta-\sin2\theta)이다.

+6점

[2.3] 점 P의 좌표를 (x,y)\displaystyle (x,y)라 하면x=2−2cos⁡π3=1,y=2sin⁡π3=3\displaystyle x=2-2\cos\frac\pi3=1,\quad y=2\sin\frac\pi3=\sqrt3이고, 점 Q의 좌표는 (0,2π3)\displaystyle \left(0,\frac{2\pi}3\right)이므로 점 P와 점 Q를 지나는 직선의 기울기는3−2π31−0=3−2π3\displaystyle \frac{\sqrt3-\frac{2\pi}3}{1-0}=\sqrt3-\frac{2\pi}3이다.

+5점

[2.4] 점 P의 좌표를 (x,y)\displaystyle (x,y)라 하면x=2−2cos⁡2θ,y=2sin⁡2θ\displaystyle x=2-2\cos2\theta,\quad y=2\sin2\theta이고, 점 Q의 좌표는 (0,4θ)\displaystyle (0,4\theta)이므로 점 P와 점 Q를 지나는 직선의 기울기는2sin⁡2θ−4θ2−2cos⁡2θ=sin⁡2θ−2θ1−cos⁡2θ\displaystyle \frac{2\sin2\theta-4\theta}{2-2\cos2\theta}=\frac{\sin2\theta-2\theta}{1-\cos2\theta}이다. 또 점 P와 점 Q를 지나는 직선의 방정식은y=sin⁡2θ−2θ1−cos⁡2θx+4θ\displaystyle y=\frac{\sin2\theta-2\theta}{1-\cos2\theta}x+4\theta이므로 점 R의 x\displaystyle x좌표는 x=4θ(1−cos⁡2θ)2θ−sin⁡2θ\displaystyle x=\frac{4\theta(1-\cos2\theta)}{2\theta-\sin2\theta}이고,S2=12×4θ(1−cos⁡2θ)2θ−sin⁡2θ×2sin⁡2θ=4θsin⁡2θ(1−cos⁡2θ)2θ−sin⁡2θ\displaystyle S_2=\frac12\times\frac{4\theta(1-\cos2\theta)}{2\theta-\sin2\theta}\times2\sin2\theta=\frac{4\theta\sin2\theta(1-\cos2\theta)}{2\theta-\sin2\theta}이다.

+5점

따라서f(θ)=S1×S2θ=8sin⁡2θ(1−cos⁡2θ)\displaystyle f(\theta)=\frac{S_1\times S_2}{\theta}=8\sin2\theta(1-\cos2\theta)이다. f(θ)\displaystyle f(\theta)를 θ\displaystyle \theta에 대하여 미분하면f′(θ)=16cos⁡2θ(1−cos⁡2θ)+16sin⁡22θ=16(1−cos⁡2θ)(1+2cos⁡2θ)\displaystyle f^{\prime}(\theta)=16\cos2\theta(1-\cos2\theta)+16\sin^22\theta=16(1-\cos2\theta)(1+2\cos2\theta)인데 0<θ<π2\displaystyle 0<\theta<\frac\pi2에서 cos⁡2θ≠1\displaystyle \cos2\theta\neq1이므로 cos⁡2θ=−12\displaystyle \cos2\theta=-\frac12, 즉 θ=π3\displaystyle \theta=\frac\pi3일 때 f′(θ)=0\displaystyle f^{\prime}(\theta)=0이다. f′(θ)\displaystyle f^{\prime}(\theta)의 부호를 조사하여 f(θ)\displaystyle f(\theta)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

θ\displaystyle \theta(0)\displaystyle (0)⋯\displaystyle \cdotsπ3\displaystyle \frac\pi3⋯\displaystyle \cdots(π2)\displaystyle (\frac\pi2)
f′(θ)\displaystyle f^{\prime}(\theta)+\displaystyle +0\displaystyle 0−\displaystyle -
f(θ)\displaystyle f(\theta)↗최대↘
+5점

따라서 함수 f(θ)\displaystyle f(\theta)는 θ=π3\displaystyle \theta=\frac\pi3에서 최댓값f(π3)=8sin⁡2π3(1−cos⁡2π3)=63\displaystyle f\left(\frac\pi3\right)=8\sin\frac{2\pi}3\left(1-\cos\frac{2\pi}3\right)=6\sqrt3을 갖는다.

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