수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

수리형 1교시 2번

문제

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[문제 2-ⅰ]

+10점 · 문제에서 주어진 함수의 적분에 해당하는 도형의 넓이를 정확히 계산할 수 있다.

a=2\displaystyle a=2이면 bk=2k1\displaystyle b_{k}=2k-1이고, Sn=b1++bn=k=1n(2k1)=n(n+1)n=n2\displaystyle S_{n}=b_{1}+\cdots+b_{n}=\sum_{k=1}^{n}(2k-1)=n(n+1)-n=n^{2}이다.S11=121<134\displaystyle S_{11}=121<134이고 S12=144>134\displaystyle S_{12}=144>134이다. 따라서 T1, T2, T3,  T11\displaystyle T_{1},\ T_{2},\ T_{3},\ \cdots\ T_{11}의 전체 넓이와 T12\displaystyle T_{12}의 일부 영역의 넓이의 합이 적분값이 된다. 특히 T12\displaystyle T_{12}의 일부 영역은 T12\displaystyle T_{12} 전체 넓이에서 T12\displaystyle T_{12}x\displaystyle x의 구간 [134,S12]=[134,144]\displaystyle [134,S_{12}]=[134,144]에 해당되는 T12\displaystyle T_{12}의 영역을 제외하면 된다. 제외하여야 하는 영역은 밑변의 길이가 10\displaystyle 10이고 높이가 103\displaystyle 10\sqrt{3}인 삼각형이므로 넓이는 12×10×103=503\displaystyle \frac{1}{2}\times10\times10\sqrt{3}=50\sqrt{3}이다. 한편 T1, T2, , T12\displaystyle T_{1},\ T_{2},\ \cdots,\ T_{12}의 넓이의 합은 34k=112bk2=34k=112(4k24k+1)\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{4}\sum_{k=1}^{12}b_{k}^{2}=\frac{\sqrt{3}}{4}\sum_{k=1}^{12}(4k^{2}-4k+1) 이다.k=112(4k24k+1)=41213256412132+12=4213252413+12=2300\displaystyle \sum_{k=1}^{12}(4k^{2}-4k+1)=4\cdot\frac{12\cdot13\cdot25}{6}-4\cdot\frac{12\cdot13}{2}+12=4\cdot2\cdot13\cdot25-24\cdot13+12=2300이므로 34k=112lk2=5753\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{4}\sum_{k=1}^{12}l_{k}^{2}=575\sqrt{3}이다. 따라서 구하고자 하는 영역의 넓이는 5753503=5253\displaystyle 575\sqrt{3}-50\sqrt{3}=525\sqrt{3}이다.Correction. 넓이 계산에 쓰인 lk\displaystyle l_k는 제시문에서 정의한 bk\displaystyle b_k를 뜻한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[문제 2-ⅱ]

+15점 · 문제에서 주어진 직선과 각 삼각형이 두 점에서 만나는 조건을 수식적으로 표현해서 해당하는 경우를 정확히 찾아낼 수 있다.

a=1\displaystyle a=1이면 bn=n\displaystyle b_{n}=n이다. 따라서 Sn=k=1nk=n(n+1)2\displaystyle S_{n}=\sum_{k=1}^{n}k=\frac{n(n+1)}{2}이고 삼각형 Tn\displaystyle T_{n}의 중점의 x\displaystyle x좌표는 12(Sn1+Sn)=12(n(n1)2+n(n+1)2)=n22\displaystyle \frac{1}{2}(S_{n-1}+S_{n})=\frac{1}{2}\left(\frac{n(n-1)}{2}+\frac{n(n+1)}{2}\right)=\frac{n^{2}}{2}이다.(1,0)\displaystyle (-1,0)x\displaystyle x좌표부터 Tn\displaystyle T_{n}의 중점의 x\displaystyle x좌표까지의 거리는 n22+1\displaystyle \frac{n^{2}}{2}+1이다. 그리고 삼각형 Tn\displaystyle T_{n}의 높이는 32bn=32n\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{2}b_{n}=\frac{\sqrt{3}}{2}n이다. 따라서 (1,0)\displaystyle (-1,0)에서 Tn\displaystyle T_{n}의 제1사분면 위의 꼭짓점까지 잇는 직선의 기울기는 32nn22+1=3nn2+2\displaystyle \frac{\frac{\sqrt{3}}{2}n}{\frac{n^{2}}{2}+1}=\frac{\sqrt{3}n}{n^{2}+2}이다. 이 기울기가 직선 l\displaystyle l의 기울기 310\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{10}보다 크면 l\displaystyle lTn\displaystyle T_{n}은 두 점에서 만나고, 310\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{10}과 같으면 한 점에서 만나고, 310\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{10}보다 작으면 만나지 않는다. 따라서 먼저 3nn2+2>310\displaystyle \frac{\sqrt{3}n}{n^{2}+2}>\frac{\sqrt{3}}{10}이 되는 n\displaystyle n의 범위를 찾으면 10n>n2+2\displaystyle 10n>n^{2}+2인 범위를 찾으면 되고, n210n+2<0\displaystyle n^{2}-10n+2<0인 범위이므로 523<n<5+23\displaystyle 5-\sqrt{23}<n<5+\sqrt{23}이 되고, 가능한 자연수는 n=1,2,,8,9\displaystyle n=1,2,\cdots,8,9가 된다. 한편 3nn2+2=310\displaystyle \frac{\sqrt{3}n}{n^{2}+2}=\frac{\sqrt{3}}{10}인 자연수는 없다. 따라서 T1, ,T9\displaystyle T_{1},\ \cdots,T_{9}가 직선 l\displaystyle l과 각각 두점에서 만나므로 만나는 점의 개수는 18개이다.

[문제 2-ⅲ]

+15점 · 문제에서 주어진 직선과 각 삼각형이 두 점에서 만나는 조건을 수식적으로 표현하여 기울기의 등차수열의 공차 범위를 계산할 수 있다.

Comment. 채점기준의 ‘기울기의 등차수열’은 제시문의 등차수열 {bn}\displaystyle \{b_n\}을 가리킨다. 구하는 것은 이 수열의 공차 a\displaystyle a의 범위이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(풀이1) Sn=b1++bn=k=1n(1a+ka)=n+an(n1)2\displaystyle S_{n}=b_{1}+\cdots+b_{n}=\sum_{k=1}^{n}(1-a+ka)=n+a\frac{n(n-1)}{2}이다.따라서 삼각형 Tn\displaystyle T_{n}의 중점의 좌표는12(Sn+Sn1)=12[n+an(n1)2+(n1)+a(n1)(n2)2]=12[2n1+a(n1)2]\displaystyle \frac{1}{2}(S_{n}+S_{n-1})=\frac{1}{2}\left[n+\frac{an(n-1)}{2}+(n-1)+\frac{a(n-1)(n-2)}{2}\right]=\frac{1}{2}\left[2n-1+a(n-1)^{2}\right]으로 주어지게 된다. 한편 Tn\displaystyle T_{n}의 높이는 32(1a+na)\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{2}(1-a+na)이다. 원점부터 삼각형 Tn\displaystyle T_{n}의 제1사분위의 꼭짓점과 (1,0)\displaystyle (-1,0)를 잇는 직선의 기울기는32(1a+na)12[2n1+a(n1)2]+1\displaystyle \frac{\frac{\sqrt{3}}{2}(1-a+na)}{\frac{1}{2}\left[2n-1+a(n-1)^{2}\right]+1}이고 이 기울기가 직선 l\displaystyle l의 기울기 330\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{30}보다 크면 Tn\displaystyle T_{n}과 직선 l\displaystyle l은 두점에서 만나고, 같으면 한점에서 만나며, 작으면 만나지 않는다. y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 직선 l\displaystyle l이 만나는 점의 개수가 30이려면 T15\displaystyle T_{15}와 2개의 점에서 만나고, T16\displaystyle T_{16}과 만나지 않는다. 따라서 n=15\displaystyle n=15일 때 32(14a+1)12(29+142a)+1>330\displaystyle \frac{\frac{\sqrt{3}}{2}(14a+1)}{\frac{1}{2}(29+14^{2}a)+1}>\frac{\sqrt{3}}{30}을 만족하고 따라서 a>1224\displaystyle a>\frac{1}{224}.n=16\displaystyle n=16일 때 32(15a+1)12(29+152a)+1<330\displaystyle \frac{\frac{\sqrt{3}}{2}(15a+1)}{\frac{1}{2}(29+15^{2}a)+1}<\frac{\sqrt{3}}{30}이 성립하고, 따라서 a<175\displaystyle a<\frac{1}{75}. 따라서 a\displaystyle a의 범위는 1224<a<175\displaystyle \frac{1}{224}<a<\frac{1}{75}이다.Correction. n=16\displaystyle n=16을 대입한 식의 분모에서 29\displaystyle 2931\displaystyle 31이어야 한다. 이를 적용하면 a<1/75\displaystyle a<1/75가 된다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

(풀이2) 위에 풀이1에서 주어진 다음의 조건32(1a+na)12[2n1+a(n1)2]+1>330\displaystyle \frac{\frac{\sqrt{3}}{2}(1-a+na)}{\frac{1}{2}\left[2n-1+a(n-1)^{2}\right]+1}>\frac{\sqrt{3}}{30}을 정리하면m=n1\displaystyle m=n-1으로 두었을 때32(1+ma)12[2m+1+am2]+1>330\displaystyle \frac{\frac{\sqrt{3}}{2}(1+ma)}{\frac{1}{2}\left[2m+1+a\cdot m^{2}\right]+1}>\frac{\sqrt{3}}{30}이 되고 이를 정리하면 1+maam2+2m+3>130\displaystyle \frac{1+ma}{am^{2}+2m+3}>\frac{1}{30}이다. 이를 한번 더 정리하면 am2+2m(115a)27<0\displaystyle am^{2}+2m(1-15a)-27<0이 되는데, g(m)=am2+2m(115a)27\displaystyle g(m)=am^{2}+2m(1-15a)-27이라 하면 g(0)=27<0\displaystyle g(0)=-27<0 이고 a>0\displaystyle a>0 이므로 그래프 개형을 통해 자연수 u\displaystyle u에 대해 g(u)<0\displaystyle g(u)<0 이면 g(u1)<0\displaystyle g(u-1)<0임을 알 수 있다. 따라서 g(W)<0\displaystyle g(W)<0이고 g(W+1)>0\displaystyle g(W+1)>0인 자연수 W\displaystyle W가 있으면, g(m)<0\displaystyle g(m)<0인 자연수 m\displaystyle m의 개수는 W\displaystyle W가 된다. 그러면 위 식을 만족하는 n\displaystyle n1,2,,W,W+1\displaystyle 1,2,\cdots,W,W+1이 되고 삼각형과 직선이 만나는 개수는 2(W+1)\displaystyle 2(W+1)개가 된다. 만약 g(W)<0\displaystyle g(W)<0이고 g(W+1)=0\displaystyle g(W+1)=0을 성립하는 W\displaystyle W가 존재하면 n=W+2\displaystyle n=W+2일때는 Tn\displaystyle T_{n}과 직선이 유일하게 하나 만나게 되므로 2(W+1)+1\displaystyle 2(W+1)+1개 점에서 만나게 된다.

따라서 우리는 2(W+1)=30\displaystyle 2(W+1)=30이 되는 W=14\displaystyle W=14에 대해서 g(14)<0\displaystyle g(14)<0g(15)>0\displaystyle g(15)>0을 동시에 만족하는 조건을 찾으면 된다. 대입하여 찾으면 g(14)=196a420a+1<0\displaystyle g(14)=196a-420a+1<0이고, 224a>1\displaystyle 224a>1에 해당된다. 또한 g(15)=225a+30(115a)27>0\displaystyle g(15)=225a+30(1-15a)-27>0에서 225a<3\displaystyle 225a<3즉, 75a<1\displaystyle 75a<1에 해당됨을 확인할 수 있다 따라서 a\displaystyle a의 범위는 열린구간 (1224, 175)\displaystyle \left(\frac{1}{224},\ \frac{1}{75}\right)이 된다.

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