수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

[3.1] t=AB\displaystyle t=\overline{\mathrm{AB}}이므로 코사인 법칙에 의하여AP2=t2+12tcosθ\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}^2=t^2+1-2t\cos\theta이고OP2=(43)2+183cosθ=25983cosθ\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}^2=\left(\frac43\right)^2+1-\frac83\cos\theta=\frac{25}9-\frac83\cos\theta이다.

[3.2] 삼각형의 세 변의 길이의 제곱의 합은l1=PA2+AB2+BP2=t2+12tcosθ+t2+1=2t22tcosθ+2\displaystyle l_1=\overline{\mathrm{PA}}^2+\overline{\mathrm{AB}}^2+\overline{\mathrm{BP}}^2=t^2+1-2t\cos\theta+t^2+1=2t^2-2t\cos\theta+2이고l2=OP2+79=32983cosθ\displaystyle l_2=\overline{\mathrm{OP}}^2+\frac79=\frac{32}9-\frac83\cos\theta이다. 따라서 모든 점 A에 대하여 l1>l2\displaystyle l_1>l_2가 되기 위해서는, 0<t<43\displaystyle 0<t<\frac43에 대하여2t22tcosθ+2>32983cosθ\displaystyle 2t^2-2t\cos\theta+2>\frac{32}9-\frac83\cos\theta또는t2tcosθ+43cosθ79=(t12cosθ)214cos2θ+43cosθ79>0\displaystyle t^2-t\cos\theta+\frac43\cos\theta-\frac79=\left(t-\frac12\cos\theta\right)^2-\frac14\cos^2\theta+\frac43\cos\theta-\frac79>0가 성립해야 한다. 그런데 0<θ<π2\displaystyle 0<\theta<\frac\pi2일 때 0<12cosθ<12\displaystyle 0<\frac12\cos\theta<\frac12이므로14cos2θ+43cosθ79>0\displaystyle -\frac14\cos^2\theta+\frac43\cos\theta-\frac79>0즉,cos2θ163cosθ+289<0\displaystyle \cos^2\theta-\frac{16}3\cos\theta+\frac{28}9<0이면 된다. 인수분해하면(cosθ23)(cosθ143)<0\displaystyle \left(\cos\theta-\frac23\right)\left(\cos\theta-\frac{14}3\right)<0이므로 23<cosθ<143\displaystyle \frac23<\cos\theta<\frac{14}3이다. 그런데 cosθ<1\displaystyle \cos\theta<1이므로 cosθ\displaystyle \cos\theta의 범위는 23<cosθ<1\displaystyle \frac23<\cos\theta<1이다.

[3.3] θ=π6,π4,π3\displaystyle \theta=\frac\pi6,\frac\pi4,\frac\pi3에 대해서 cos2θ\displaystyle \cos^2\theta의 값을 구하면 각각 34\displaystyle \frac34, 12\displaystyle \frac12, 14\displaystyle \frac14이다.이 중 (23)2\displaystyle \left(\frac23\right)^2보다 큰 값은 34\displaystyle \frac3412\displaystyle \frac12이므로, 조건을 만족하는 θ\displaystyle \thetaπ6\displaystyle \frac\pi6π4\displaystyle \frac\pi4이다.

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