수리논술, 이게 다다.

자연계 2교시 2번

오류 제보

문제

[문제 2] 다음 〈제시문 1〉과 〈제시문 2〉를 읽고 [문제 2-ⅰ] ~ [문제 2-ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (30점)

〈제시문 1〉모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 다음이 성립한다.cos⁡(x+π2)=−sin⁡x\displaystyle \cos\left(x+\frac{\pi}{2}\right)=-\sin xcos⁡(x+π)=−cos⁡x\displaystyle \cos(x+\pi)=-\cos xcos⁡(x+3π2)=sin⁡x\displaystyle \cos\left(x+\frac{3\pi}{2}\right)=\sin xcos⁡(x+2π)=cos⁡x\displaystyle \cos(x+2\pi)=\cos x

〈제시문 2〉모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 다음이 성립한다.cos⁡2x+sin⁡2x=1\displaystyle \cos^{2}x+\sin^{2}x=1

[문제 2-ⅰ] 방정식 4cos⁡(x+nπ2)=1\displaystyle 4\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)=1 이 0<x<π4\displaystyle 0<x<\frac{\pi}{4}에서 해를 갖도록 하는 2023\displaystyle 2023 이하의 자연수 n\displaystyle n의 개수를 구하고 그 이유를 논하시오.

[문제 2-ⅱ] 방정식 6cos⁡2(x+mπ2)+cos⁡(x+nπ2)=5\displaystyle 6\cos^{2}\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)+\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)=5 가 0<x<π4\displaystyle 0<x<\frac{\pi}{4}에서 해를 갖도록 하는 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)의 개수를 구하고 그 이유를 논하시오. (단, m,n\displaystyle m,n은 23\displaystyle 23 이하인 자연수이다.)

[문제 2-ⅲ] 방정식 8cos⁡4(x+nπ2)−7cos⁡2(x+nπ2)+3cos⁡(x+nπ2)=1\displaystyle 8\cos^{4}\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)-7\cos^{2}\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)+3\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)=1 이 0<x<π4\displaystyle 0<x<\frac{\pi}{4}에서 해를 갖도록 하는 2023\displaystyle 2023 이하의 자연수 n\displaystyle n의 개수를 구하고 그 이유를 논하시오.

해설강의 준비중

[문제 2-ⅰ]

+4점 · 정의역이 주어진 경우 삼각함수의 범위를 계산할 수 있다.

〈제시문 1〉로부터 다음을 알 수 있다. (단, k\displaystyle k는 정수)cos⁡(x+nπ2)={cos⁡xn=4k 일때cos⁡(x+π2)=−sin⁡xn=4k+1 일때cos⁡(x+π)=−cos⁡xn=4k+2 일때cos⁡(x+3π2)=sin⁡xn=4k+3 일때\displaystyle \cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)=\begin{cases}\cos x & n=4k\text{ 일때} \\ \cos\left(x+\frac{\pi}{2}\right)=-\sin x & n=4k+1\text{ 일때} \\ \cos(x+\pi)=-\cos x & n=4k+2\text{ 일때} \\ \cos\left(x+\frac{3\pi}{2}\right)=\sin x & n=4k+3\text{ 일때}\end{cases}또한0<x<π4 일 때 22<cos⁡x<1, −22<−sin⁡x<0, −1<−cos⁡x<−22, 0<sin⁡x<22(\*)\displaystyle 0<x<\frac{\pi}{4}\text{ 일 때 }\frac{\sqrt{2}}{2}<\cos x<1,\ -\frac{\sqrt{2}}{2}<-\sin x<0,\ -1<-\cos x<-\frac{\sqrt{2}}{2},\ 0<\sin x<\frac{\sqrt{2}}{2}\qquad(\*)이고 22=0.707⋯\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}=0.707\cdots 이므로 주어진 식 cos⁡(x+nπ2)=14\displaystyle \cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)=\frac{1}{4}이 0<x<π4\displaystyle 0<x<\frac{\pi}{4}에서 해를 가지려면 n=4k+3\displaystyle n=4k+3 (k\displaystyle k는 정수)를 만족해야 한다. 따라서 조건을 만족하는 양의 정수 n\displaystyle n의 개수는 1≤4k+3≤2023\displaystyle 1\le4k+3\le2023을 만족하는 정수의 개수와 같으므로 정답은 506\displaystyle 506이다.

[문제 2-ⅱ]

+14점 · 삼각함수의 성질을 이용하여 식을 변형할 수 있고 정의역이 주어진 경우 삼각함수의 범위를 계산할 수 있다.

위의 식에 의해 cos⁡(x+mπ2)\displaystyle \cos\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)와 cos⁡(x+nπ2)\displaystyle \cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)는 각각 ±cos⁡x\displaystyle \pm\cos x, ±sin⁡x\displaystyle \pm\sin x 중의 하나와 같다. 따라서 t=cos⁡(x+nπ2)\displaystyle t=\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)라 하면 cos⁡2(x+mπ2)\displaystyle \cos^{2}\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)은 cos⁡2x\displaystyle \cos^{2}x 또는 sin⁡2x\displaystyle \sin^{2}x이므로 t2\displaystyle t^{2} 또는 1−t2\displaystyle 1-t^{2}이 된다.

(1) cos⁡2(x+mπ2)=t2\displaystyle \cos^{2}\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)=t^{2}인 경우이 경우 주어진 식 6cos⁡2(x+mπ2)+cos⁡(x+nπ2)−5=0\displaystyle 6\cos^{2}\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)+\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)-5=0은 6t2+t−5=(6t−5)(t+1)=0\displaystyle 6t^{2}+t-5=(6t-5)(t+1)=0가 되고 이 식의 해는 t=−1\displaystyle t=-1과 t=56\displaystyle t=\frac{5}{6}이다. 그런데 0<x<π4\displaystyle 0<x<\frac{\pi}{4}일 때 (\*)에 의해 t=−1\displaystyle t=-1이 될 수 없으므로 해를 가지려면 t=56\displaystyle t=\frac{5}{6}이 되어야 한다. 그러면 22<56<1\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}<\frac{5}{6}<1이므로 (\*)에 의해 t=cos⁡(x+nπ2)=cos⁡x\displaystyle t=\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)=\cos x가 되어야 한다. 따라서 n=4k\displaystyle n=4k (k\displaystyle k는 정수)이다. 또한 cos⁡2(x+mπ2)=t2=cos⁡2x\displaystyle \cos^{2}\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)=t^{2}=\cos^{2}x이므로 cos⁡(x+mπ2)=±cos⁡x\displaystyle \cos\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)=\pm\cos x가 되어 m=4s\displaystyle m=4s 또는 m=4s+2\displaystyle m=4s+2 (s\displaystyle s는 정수)을 얻는다. 이 경우 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)의 개수는 11⋅5=55\displaystyle 11\cdot5=55이다.

(2) cos⁡2(x+mπ2)=1−t2\displaystyle \cos^{2}\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)=1-t^{2}인 경우이 경우 주어진 식 6cos⁡2(x+mπ2)+cos⁡(x+nπ2)−5=0\displaystyle 6\cos^{2}\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)+\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)-5=0은 6(1−t2)+t−5=−(2t−1)(3t+1)=0\displaystyle 6(1-t^{2})+t-5=-(2t-1)(3t+1)=0이 되고 이 식의 해는 t=12\displaystyle t=\frac{1}{2}과 t=−13\displaystyle t=-\frac{1}{3}이다. 주어진 조건 0<x<π4\displaystyle 0<x<\frac{\pi}{4}일 때 이러한 해를 가지려면 (\*)에 의해 t=cos⁡(x+nπ2)\displaystyle t=\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)는 sin⁡x\displaystyle \sin x 또는 −sin⁡x\displaystyle -\sin x가 되어야 한다. 따라서 n=4k+1\displaystyle n=4k+1 또는 n=4k+3\displaystyle n=4k+3 (k\displaystyle k는 정수)이다. 또한 cos⁡2(x+mπ2)=1−t2=1−sin⁡2x=cos⁡2x\displaystyle \cos^{2}\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)=1-t^{2}=1-\sin^{2}x=\cos^{2}x이므로 cos⁡(x+mπ2)=±cos⁡x\displaystyle \cos\left(x+\frac{m\pi}{2}\right)=\pm\cos x가 되어 m=4s\displaystyle m=4s 또는 m=4s+2\displaystyle m=4s+2 (s\displaystyle s는 정수)을 얻는다. 이 경우 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)의 개수는 11⋅12=132\displaystyle 11\cdot12=132이다.

위의 두 가지 경우에 의해 가능한 모든 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)의 개수는 55+132=187\displaystyle 55+132=187이다.

[문제 2-ⅲ]

+12점 · 도함수를 이용하여 함수의 그래프의 개형을 그릴 수 있다. 정의역이 주어진 경우 삼각함수의 범위를 계산할 수 있다.

편의상 t=cos⁡(x+nπ2)\displaystyle t=\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right), f(t)=8t4−7t2+3t−1\displaystyle f(t)=8t^{4}-7t^{2}+3t-1라 하자. 그러면 t\displaystyle t는 −1≤t≤1\displaystyle -1\le t\le1을 만족하고 주어진 식은 f(t)=0\displaystyle f(t)=0로 표현된다. 이 식의 해가 존재하는지 판별하기 위해 함수 y=f(t) (−1≤t≤1)\displaystyle y=f(t)\ (-1\le t\le1)의 그래프의 개형을 알아보자. 이를 위해 우리는 f′(t)\displaystyle f^{\prime}(t)의 근을 구해야 한다. 만약 f′(t)=32t3−14t+3\displaystyle f^{\prime}(t)=32t^{3}-14t+3이 인수분해가 된다면 최고차항의 약수 a\displaystyle a와 상수항의 약수 b\displaystyle b에 대하여 f′(t)\displaystyle f^{\prime}(t)가 at−b\displaystyle at-b로 나누어 질 것이다. 여기서 a=2\displaystyle a=2, b=1\displaystyle b=1로 두면 f′(b/a)=f′(1/2)=4−7+3=0\displaystyle f^{\prime}(b/a)=f^{\prime}(1/2)=4-7+3=0이므로 실제로 f′(t)\displaystyle f^{\prime}(t)는 2t−1\displaystyle 2t-1로 나누어진다. 다항식의 나눗셈을 이용하여 우리는f′(t)=32t3−14t+3=(2t−1)(4t2+4t−3)=(2t−1)(4t+3)(4t−1)\displaystyle f^{\prime}(t)=32t^{3}-14t+3=(2t-1)(4t^{2}+4t-3)=(2t-1)(4t+3)(4t-1)Correction. 인수분해한 중간 식의 4t2+4t−3\displaystyle 4t^2+4t-3은 16t2+8t−3\displaystyle 16t^2+8t-3의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.을 얻을 수 있다. 따라서 f′(t)\displaystyle f^{\prime}(t)의 근은 −34, 14, 12\displaystyle -\frac{3}{4},\ \frac{1}{4},\ \frac{1}{2}이고 f(t)\displaystyle f(t)는 최고차항의 계수가 양수인 사차함수이므로 f(t)\displaystyle f(t)는 구간 (−∞,−34]\displaystyle \left(-\infty,-\frac{3}{4}\right]에서 감소, 구간 [−34,14]\displaystyle \left[-\frac{3}{4},\frac{1}{4}\right]에서 증가, 구간 [14,12]\displaystyle \left[\frac{1}{4},\frac{1}{2}\right]에서 감소, 구간 [12,∞)\displaystyle \left[\frac{1}{2},\infty\right)에서 증가한다. 또한f(−1)=8−7−3−1=−3<0, f(−34)=8⋅3444−7⋅916−94−1<0, f(14)=844−716+34−1<0,\displaystyle f(-1)=8-7-3-1=-3<0,\ f\left(-\frac{3}{4}\right)=\frac{8\cdot3^{4}}{4^{4}}-\frac{7\cdot9}{16}-\frac{9}{4}-1<0,\ f\left(\frac{1}{4}\right)=\frac{8}{4^{4}}-\frac{7}{16}+\frac{3}{4}-1<0,f(12)=12−74+32−1<0, f(1)=8−7+3−1=3>0\displaystyle f\left(\frac{1}{2}\right)=\frac{1}{2}-\frac{7}{4}+\frac{3}{2}-1<0,\ f(1)=8-7+3-1=3>0이므로 함수 y=f(t)\displaystyle y=f(t)의 그래프는 아래와 같이 그려진다.

구간 −1.5 ≤ t ≤ 1.5에서 사차함수 y=f(t)의 그래프. t가 1/2과 1 사이에서 x축과 한 번 만난다.

따라서 −1≤t≤1\displaystyle -1\le t\le1일 때 f(t)=0\displaystyle f(t)=0의 해는 구간 [12,1]\displaystyle \left[\frac{1}{2},1\right]에서 유일하게 존재한다. 또한 f(t)\displaystyle f(t)는 이 구간에서 증가하고 f(22)=2−72+3⋅22−1=−52+2.12⋯<0\displaystyle f\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)=2-\frac{7}{2}+3\cdot\frac{\sqrt{2}}{2}-1=-\frac{5}{2}+2.12\cdots<0이므로 해는 구간 (22,1]\displaystyle \left(\frac{\sqrt{2}}{2},1\right]에 존재한다. 그런데 t=cos⁡(x+nπ2)\displaystyle t=\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)이고 0<x<π4\displaystyle 0<x<\frac{\pi}{4}일 때 22<cos⁡x<1\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}<\cos x<1, 0<sin⁡x<22\displaystyle 0<\sin x<\frac{\sqrt{2}}{2}, −1<−cos⁡x<−22\displaystyle -1<-\cos x<-\frac{\sqrt{2}}{2}, −22<−sin⁡x<0\displaystyle -\frac{\sqrt{2}}{2}<-\sin x<0이므로 주어진 식이 해를 가지려면 n=4k\displaystyle n=4k (k\displaystyle k는 정수)를 만족해야 한다. 따라서 조건을 만족하는 양의 정수 n\displaystyle n의 개수는 505\displaystyle 505 이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.