수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (1차) 2번

문제

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해설강의 준비중
· 【2-1】 삼각함수의 정의와 제시문 [가]의 사인함수를 이용한 예각 및 둔각 삼각형의 넓이공식을 활용할 수 있다. 매개변수 t\displaystyle t에 따라 사이각이 변하는 삼각형의 넓이를 정확히 구할 수 있다.

【2-1】 POQ=t2\displaystyle \angle\mathrm{POQ}=t^2이고, OP=1\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}=1, OQ=2\displaystyle \overline{\mathrm{OQ}}=2이다. t2=0\displaystyle t^2=0 또는 t2=π\displaystyle t^2=\pi이면 S(t)=0\displaystyle S(t)=0이다. 0<t2<π\displaystyle 0<t^2<\pi일 때, 삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}O\displaystyle \angle\mathrm{O}의 크기는 t2\displaystyle t^2이므로 제시문 [가]에 의해 S(t)=sin(t2)\displaystyle S(t)=\sin(t^2)이다. π<t2<2π\displaystyle \pi<t^2<2\pi일 때, 삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}O\displaystyle \angle\mathrm{O}의 크기는 2πt2\displaystyle 2\pi-t^2이므로 S(t)=sin(2πt2)=sin(t2)\displaystyle S(t)=\sin(2\pi-t^2)=-\sin(t^2)이다. 따라서 S(t)=sin(t2)\displaystyle S(t)=|\sin(t^2)|이다.

각 t와 t제곱으로 정해지는 삼각형 OPQ
· 【2-2】 제시문 [나]로부터 미분가능한 함수의 정의를 잘 이해하여 이를 적용할 수 있다. 제시문 [다]의 삼각함수의 극한을 활용하여 함수의 미분가능성을 판단할 수 있다.

【2-2】 t\displaystyle tπ<t<0\displaystyle -\sqrt\pi<t<0 또는 0<t<π\displaystyle 0<t<\sqrt\pi일 때 S(t)=sin(t2)\displaystyle S(t)=\sin(t^2)이므로, 미분가능한 두 함수 sint\displaystyle \sin tt2\displaystyle t^2의 합성함수인 S(t)\displaystyle S(t)는 미분가능하다. t\displaystyle t2π<t<π\displaystyle -\sqrt{2\pi}<t<-\sqrt\pi 또는 π<t<2π\displaystyle \sqrt\pi<t<\sqrt{2\pi}일 때, S(t)=sin(t2)\displaystyle S(t)=-\sin(t^2)이므로, 미분가능한 두 함수 sint\displaystyle -\sin tt2\displaystyle t^2의 합성함수인 S(t)\displaystyle S(t)는 미분가능하다. 제시문 [나]와 [다]를 이용하여 t=0,±π\displaystyle t=0,\pm\sqrt\pi일 때 미분가능성을 조사한다. t=0\displaystyle t=0일 때limh0S(h)S(0)h=limh01hsin(h2)=limh0hsin(h2)h2=0\displaystyle \lim_{h\to0}\frac{S(h)-S(0)}h=\lim_{h\to0}\frac1h|\sin(h^2)|=\lim_{h\to0}h\frac{\sin(h^2)}{h^2}=0따라서, S(t)\displaystyle S(t)t=0\displaystyle t=0에서 미분가능하다. t=π\displaystyle t=\sqrt\pi일 때limh0S(π+h)S(π)h=limh0sin(π+2πh+h2)h=limh0sin(2πh+h2)h\displaystyle \lim_{h\to0}\frac{S(\sqrt\pi+h)-S(\sqrt\pi)}h=\lim_{h\to0}\frac{|\sin(\pi+2\sqrt\pi h+h^2)|}h=\lim_{h\to0}\frac{|\sin(2\sqrt\pi h+h^2)|}h이다. h0+\displaystyle h\to0^+인 경우 0<h(2π+h)<π\displaystyle 0<h(2\sqrt\pi+h)<\pi이므로, 제시문 [다]에 의해limh0+S(π+h)S(π)h=limh0+sin(2πh+h2)h=limh0+(2π+h)sin(2πh+h2)(2π+h)h=2π\displaystyle \lim_{h\to0^+}\frac{S(\sqrt\pi+h)-S(\sqrt\pi)}h=\lim_{h\to0^+}\frac{\sin(2\sqrt\pi h+h^2)}h=\lim_{h\to0^+}(2\sqrt\pi+h)\frac{\sin(2\sqrt\pi h+h^2)}{(2\sqrt\pi+h)h}=2\sqrt\pih0\displaystyle h\to0^-인 경우 π<h(2π+h)<0\displaystyle -\pi<h(2\sqrt\pi+h)<0이므로, 제시문 [다]에 의해limh0S(π+h)S(π)h=limh0sin(2πh+h2)h=limh0(2π+h)sin(2πh+h2)(2π+h)h=2π\displaystyle \lim_{h\to0^-}\frac{S(\sqrt\pi+h)-S(\sqrt\pi)}h=\lim_{h\to0^-}\frac{-\sin(2\sqrt\pi h+h^2)}h=-\lim_{h\to0^-}(2\sqrt\pi+h)\frac{\sin(2\sqrt\pi h+h^2)}{(2\sqrt\pi+h)h}=-2\sqrt\pi좌극한과 우극한이 다르므로 S(t)\displaystyle S(t)t=π\displaystyle t=\sqrt\pi에서 미분가능하지 않다. 그리고 S(t)=S(t)\displaystyle S(t)=S(-t)이므로 대칭에 의해 S(t)\displaystyle S(t)t=π\displaystyle t=-\sqrt\pi에서 미분가능하지 않다.

· 【2-3】 제시문 [나]를 이용하여 곡선 위의 한 점에서의 접선의 방정식을 구하고, 이 접선이 원과 만나는 기하 상황을 설명할 수 있다. 제시문 [라]의 점과 직선의 사이의 거리를 구하는 식 또는 이차방정식의 판별식을 이용하여 삼각함수가 포함된 부등식을 구하고 이 부등식으로부터 θ\displaystyle \theta의 범위를 구할 수 있다.

【2-3】 직선 OR\displaystyle \mathrm{OR}의 방정식은 y=(tanθ)x\displaystyle y=(\tan\theta)x이고 곡선 y=1x\displaystyle y=\frac1x과의 교점이 R(a,1a)\displaystyle \mathrm{R}\left(a,\frac1a\right)이므로 atanθ=1a\displaystyle a\tan\theta=\frac1a를 만족하고 a2=cotθ\displaystyle a^2=\cot\theta이다.

유리함수의 접선과 원의 교점 A, B

제시문 [나]에 의해, 점 R(a,1a)\displaystyle \mathrm{R}\left(a,\frac1a\right)에서의 접선의 방정식은 x+a2y2a=0\displaystyle x+a^2y-2a=0이고 제시문 [라]에 의해 원점과 접선 사이의 거리는 2a1+a4\displaystyle \frac{2a}{\sqrt{1+a^4}}가 된다. 이 거리가 원의 반지름 314\displaystyle 3^{\frac14}보다 작거나 같으면 접선과 원이 만나므로 a\displaystyle a는 부등식 4a23(1+a4)\displaystyle 4a^2\le\sqrt3(1+a^4)을 만족한다. 이 부등식은 a2\displaystyle a^2에 관한 이차부등식이고 인수분해를 하면(3a21)(a23)0\displaystyle (\sqrt3a^2-1)(a^2-\sqrt3)\ge0을 만족하므로 cotθ=a23\displaystyle \cot\theta=a^2\ge\sqrt3 또는 cotθ=a213\displaystyle \cot\theta=a^2\le\frac1{\sqrt3}이다. a>1\displaystyle a>1이므로 cotθ>1\displaystyle \cot\theta>1이고 0<θ<π4\displaystyle 0<\theta<\frac\pi4이다. 따라서 cotθ3\displaystyle \cot\theta\ge\sqrt3이고 0<θπ6\displaystyle 0<\theta\le\frac\pi6이다.

· 【2-4】 제시문 [라]를 이용하여 두 교점 사이의 거리를 θ\displaystyle \theta에 관한 함수로 나타낼 수 있다. 제시문 [다]의 삼각함수의 극한을 이용하여 극한을 구할 수 있다.

【2-4】 문항 【2-3】의 풀이에서 접선 x+a2y2a=0\displaystyle x+a^2y-2a=0에 대하여 원점 O\displaystyle \mathrm{O}에서 내린 수선의 발을 T\displaystyle \mathrm{T}라 하면 선분 OT\displaystyle \mathrm{OT}의 길이는 원점과 접선 사이의 거리 2a1+a4\displaystyle \frac{2a}{\sqrt{1+a^4}}와 같다. 삼각형 OTA\displaystyle \mathrm{OTA}는 직각삼각형이므로 피타고라스 정리에 의해 {l(θ)2}2=3(2a1+a4)2\displaystyle \left\{\frac{l(\theta)}2\right\}^2=\sqrt3-\left(\frac{2a}{\sqrt{1+a^4}}\right)^2이고{l(θ)}243θ=16a2(1+a4)θ=16cotθ(1+cot2θ)θ=16sinθcosθθ\displaystyle \frac{\{l(\theta)\}^2-4\sqrt3}{\theta}=\frac{-16a^2}{(1+a^4)\theta}=\frac{-16\cot\theta}{(1+\cot^2\theta)\theta}=-16\frac{\sin\theta\cos\theta}{\theta}따라서, limθ0+{l(θ)}243θ=16\displaystyle \lim_{\theta\to0^+}\frac{\{l(\theta)\}^2-4\sqrt3}{\theta}=-16이다.

고등학교 교육과정에서 필수적으로 다루어지는 미적분 내용인 삼각함수의 정의와 활용, 함수의 극한, 삼각함수의 덧셈정리 등을 이용할 수 있는지와 미분계수의 정의, 함수의 미분가능성, 미분계수와 접선의 기울기 사이의 관계 등을 잘 이해하고 이를 기하학적 문제에 활용할 수 있는지 평가한다. 구체적인 채점기준은 다음과 같다.

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