수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

수리형 3번

문제

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해설강의 준비중

[문제 3-ⅰ]

+5점 · 두 점 P1\displaystyle \mathrm{P}_{1}P2\displaystyle \mathrm{P}_{2}의 좌표를 구할 수 있다.

P1\displaystyle \mathrm{P}_{1}의 좌표를 (t,t2)\displaystyle (-t,t^{2})라고 하면, 점 P2\displaystyle \mathrm{P}_{2}의 좌표는 (2t,4t2)\displaystyle (2t,4t^{2})이다. P1P2=36\displaystyle \overline{\mathrm{P}_{1}\mathrm{P}_{2}}=3\sqrt{6}로부터 9t2+9t4=54\displaystyle 9t^{2}+9t^{4}=54를 얻고, (t22)(t2+3)=0\displaystyle (t^{2}-2)(t^{2}+3)=0이다. 따라서, t2=2\displaystyle t^{2}=2이고 t=2\displaystyle t=\sqrt{2}이다.이로부터 P1(2,2)\displaystyle \mathrm{P}_{1}(-\sqrt{2},2)P2(22,8)\displaystyle \mathrm{P}_{2}(2\sqrt{2},8)을 얻을 수 있고, 이 두 점을 잇는 직선의 방정식은 y=2x+4\displaystyle y=\sqrt{2}x+4이다.

+5점 · 도형의 넓이를 구할 수 있다.

따라서, 도형의 넓이는222(2x+4x2)dx=92\displaystyle \int_{-\sqrt{2}}^{2\sqrt{2}}(\sqrt{2}x+4-x^{2})dx=9\sqrt{2}이다.

[문제 3-ⅱ]

+5점 · 비율 nm\displaystyle \frac{n}{m}의 값의 범위를 구할 수 있다.

k=0\displaystyle k=0일 때, P1(2,2)\displaystyle \mathrm{P}_{1}(-\sqrt{2},2)P2(2,2)\displaystyle \mathrm{P}_{2}(\sqrt{2},2)이므로 nm=212+1=322\displaystyle \frac{n}{m}=\frac{\sqrt{2}-1}{\sqrt{2}+1}=3-2\sqrt{2}이다.k=12\displaystyle k=\frac{1}{2}일 때, P1(1,1)\displaystyle \mathrm{P}_{1}(-1,1)P2(32,94)\displaystyle \mathrm{P}_{2}\left(\frac{3}{2},\frac{9}{4}\right)이므로, nm=14\displaystyle \frac{n}{m}=\frac{1}{4}이다.

+5점 · 함수의 증가와 감소를 올바르게 판단할 수 있다.

이차곡선 y=x2\displaystyle y=x^{2} 위의 점 P(x,x2)\displaystyle \mathrm{P}(x,x^{2})에 대하여f(x)=PM2=(x1)2+(x22)2=x43x22x+5\displaystyle f(x)=\overline{\mathrm{PM}}^{2}=(x-1)^{2}+(x^{2}-2)^{2}=x^{4}-3x^{2}-2x+5라고 하면, f(x)=2(x+1)(2x22x1)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=2(x+1)(2x^{2}-2x-1)=0의 해는 x=1,132,1+32\displaystyle x=-1,\frac{1-\sqrt{3}}{2},\frac{1+\sqrt{3}}{2}가 된다.따라서, 함수 f(x)\displaystyle f(x)[2,1]\displaystyle \left[-\sqrt{2},-1\right]에서는 감소하고, [2,32]\displaystyle \left[\sqrt{2},\frac{3}{2}\right]에서는 증가한다.이로부터 비율 nm\displaystyle \frac{n}{m}의 값은 322\displaystyle 3-2\sqrt{2}부터 14\displaystyle \frac{1}{4}까지 증가하게 된다. 즉, 322nm14\displaystyle 3-2\sqrt{2}\le\frac{n}{m}\le\frac{1}{4}이다.

[문제 3-ⅲ]

+5점 · 점 M\displaystyle \mathrm{M}을 포함하는 함수를 구할 수 있다.

선분 P1P2\displaystyle \mathrm{P}_{1}\mathrm{P}_{2}1:1\displaystyle 1:1로 내분하는 점을 M\displaystyle \mathrm{M}이라 하면, 점 M\displaystyle \mathrm{M}의 좌표는 (x1+x22,x12+x222)\displaystyle \left(\frac{x_{1}+x_{2}}{2},\frac{x_{1}^{2}+x_{2}^{2}}{2}\right)이다.이때, a=x1+x22\displaystyle a=\frac{x_{1}+x_{2}}{2}라고 두면, x12+x222=a2+14\displaystyle \frac{x_{1}^{2}+x_{2}^{2}}{2}=a^{2}+\frac{1}{4}가 된다.따라서, 점 M\displaystyle \mathrm{M}은 이차곡선 y=x2+14\displaystyle y=x^{2}+\frac{1}{4} 위에 있다.

+5점 · 접선의 방정식을 구할 수 있다.

역으로, 이차곡선 y=x2+14\displaystyle y=x^{2}+\frac{1}{4} 위의 한 점 (a,a2+14)\displaystyle \left(a,a^{2}+\frac{1}{4}\right)에서의 접선의 방정식은 y=2axa2+14\displaystyle y=2ax-a^{2}+\frac{1}{4}이고, 접선과 곡선 y=x2\displaystyle y=x^{2}이 만나는 두 점의 x\displaystyle x좌표 x1,x2 (x1<x2)\displaystyle x_{1},x_{2}\ (x_{1}<x_{2})x2=y=2axa2+14\displaystyle x^{2}=y=2ax-a^{2}+\frac{1}{4}의 해가 되어, x2x1=1\displaystyle x_{2}-x_{1}=1을 만족하게 된다. 즉, 문제에 주어진 선분 P1P2\displaystyle \mathrm{P}_{1}\mathrm{P}_{2}는 이차곡선 y=x2+14\displaystyle y=x^{2}+\frac{1}{4}의 접선의 일부이다.

+5점 · 도형의 넓이를 구할 수 있다.

x1=1\displaystyle x_{1}=1일 때, 직선 P1P2\displaystyle \mathrm{P}_{1}\mathrm{P}_{2}의 방정식은 y=3x2\displaystyle y=3x-2이고 M(32,52)\displaystyle \mathrm{M}\left(\frac{3}{2},\frac{5}{2}\right)이므로, 도형의 넓이는120(14x2)dx+032((x2+14)x2)dx+322(3x2x2)dx=1324\displaystyle \int_{-\frac{1}{2}}^{0}\left(\frac{1}{4}-x^{2}\right)dx+\int_{0}^{\frac{3}{2}}\left(\left(x^{2}+\frac{1}{4}\right)-x^{2}\right)dx+\int_{\frac{3}{2}}^{2}(3x-2-x^{2})dx=\frac{13}{24}이다.

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