수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (2차) 1번

문제

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해설강의 준비중
· 【1-1】 두 점 O\displaystyle \mathrm{O}, B\displaystyle \mathrm{B}를 지나는 직선과 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 구할 수 있다. 서로 수직인 직선의 기울기를 구할 수 있다.

【1-1】 아래 그림에서와 같이 두 점 O\displaystyle \mathrm{O}, A\displaystyle \mathrm{A}를 지나는 직선이 두 점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}를 지나는 직선과 이루는 각 중 예각의 크기는 βα\displaystyle \beta-\alpha이므로 이등변삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 두 밑각의 크기는 βα2=π12\displaystyle \frac{\beta-\alpha}2=\frac\pi{12}이다. 따라서 두 점 O\displaystyle \mathrm{O}, B\displaystyle \mathrm{B}를 지나는 직선과 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기는 α+βα2=π12+π12=π6\displaystyle \alpha+\frac{\beta-\alpha}2=\frac\pi{12}+\frac\pi{12}=\frac\pi6이고, 이 직선에 수직인 직선의 기울기는 tan(π2+π6)=cotπ6\displaystyle \tan\left(\frac\pi2+\frac\pi6\right)=-\cot\frac\pi6이므로 직선의 기울기는 3\displaystyle -\sqrt3이다.

이등변삼각형의 밑각과 수직선
· 【1-2】 점 C\displaystyle \mathrm{C}(1,0)\displaystyle (1,0)을 지나는 직선의 기울기와 방정식을 구할 수 있다. 제시문 [가]의 점과 직선 사이의 거리를 이용하여 원의 반지름을 구할 수 있다.

【1-2】 직선 s\displaystyle s위에 있고 점 (1,0)\displaystyle (1,0)으로부터의 거리가 1\displaystyle 11\displaystyle 1사분면 위의 점을 B\displaystyle \mathrm{B}라 하자. 그러면 두 점 C\displaystyle \mathrm{C}, (1,0)\displaystyle (1,0)을 지나는 직선과 두 점 O\displaystyle \mathrm{O}, B\displaystyle \mathrm{B}를 지나는 직선은 항상 수직임을 알 수 있다. 따라서 원들의 중심을 모두 지나는 직선의 기울기는 문항 【1-1】 풀이에서 α=0\displaystyle \alpha=0, β=π3\displaystyle \beta=\frac\pi3인 경우이므로 cotπ6=3\displaystyle -\cot\frac\pi6=-\sqrt3이다. 그리고 이 직선이 점 (1,0)\displaystyle (1,0)을 지나기 때문에 직선의 방정식은 y=3(x1)\displaystyle y=-\sqrt3(x-1)이다. 원의 중심의 y\displaystyle y좌표를 b\displaystyle b라고 하면원의 중심의 좌표는 (1b3,b)\displaystyle \left(1-\frac b{\sqrt3},b\right)이고, 이 원의 중심과 직선 5x12y=0\displaystyle 5x-12y=0의 거리는 제시문 [가]에 의해 1135(1b3)12b\displaystyle \frac1{13}\left|5\left(1-\frac b{\sqrt3}\right)-12b\right|이다. 이 거리와 원의 반지름의 길이가 같을 때 직선이 원에 접하므로, 13b=5(1b3)12b\displaystyle 13b=\left|5\left(1-\frac b{\sqrt3}\right)-12b\right|이다. 5(1b3)12b<0\displaystyle 5\left(1-\frac b{\sqrt3}\right)-12b<0이면 b=253+1522\displaystyle b=\frac{25\sqrt3+15}{22}이고 이때 원의 중심의 x\displaystyle x좌표가 a=1b3=1253+15223<0\displaystyle a=1-\frac b{\sqrt3}=1-\frac{25\sqrt3+15}{22\sqrt3}<0이므로 x\displaystyle x축, 직선 s\displaystyle s, y=512x\displaystyle y=\frac5{12}x로 이루어진 삼각형에 내접원이 될 수 없다. 5(1b3)12b>0\displaystyle 5\left(1-\frac b{\sqrt3}\right)-12b>0이면 b=15374\displaystyle b=\frac{15-\sqrt3}{74}이고 반지름의 길이는 r=15374\displaystyle r=\frac{15-\sqrt3}{74}이다. 따라서 x\displaystyle x축, 직선 s\displaystyle s, y=512x\displaystyle y=\frac5{12}x로 이루어진 삼각형에 내접하는 원의 반지름의 길이는 r=15374\displaystyle r=\frac{15-\sqrt3}{74}이다.

삼각형에 내접하는 원의 중심과 각의 이등분선
· 【1-3】 제시문 [나]를 이용하여 부채꼴의 호의 길이를 접점의 위치 함수로 구할 수 있다. 수열 ln\displaystyle l_n의 합을 구할 수 있다.

【1-3】 점 (1,0)\displaystyle (1,0)A\displaystyle \mathrm{A}라 하면 두 삼각형 CPA\displaystyle \mathrm{CPA}CQA\displaystyle \mathrm{CQA}는 합동인 직각삼각형이다. 따라서 원의 반지름의 길이를 r\displaystyle r라 하면, rtanβ2=rtanπ6=1n100\displaystyle r\tan\frac\beta2=r\tan\frac\pi6=1-\frac n{100}이므로 r=3(1n100)\displaystyle r=\sqrt3\left(1-\frac n{100}\right)이다. 따라서 호 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}의 길이는 ln=rθ=3π3(1n100)\displaystyle l_n=r\theta=\frac{\sqrt3\pi}3\left(1-\frac n{100}\right)이고n=199ln=n=1993π3(1n100)=3π3(99n=199n100)=333π2\displaystyle \sum_{n=1}^{99}l_n=\sum_{n=1}^{99}\frac{\sqrt3\pi}3\left(1-\frac n{100}\right)=\frac{\sqrt3\pi}3\left(99-\sum_{n=1}^{99}\frac n{100}\right)=\frac{33\sqrt3\pi}2

부채꼴 CPQ의 호와 반지름
· 【1-4】 부채꼴의 중심각과 반지름을 이용하여 부채꼴 넓이를 구할 수 있다. 삼각함수의 극한을 잘 활용하여 주어진 식의 극한값을 구할 수 있다.

【1-4】 문항 【1-3】의 풀이에서 원과 x\displaystyle x축과의 접점이 (1d,0)\displaystyle (1-d,0)일 때, 원의 반지름의 길이 r=dtanβ2\displaystyle r=\frac d{\tan\frac\beta2}이므로 부채꼴 CPQ\displaystyle \mathrm{CPQ}의 넓이는 S(β)=12r2β=d2β2tan2β2\displaystyle S(\beta)=\frac12r^2\beta=\frac{d^2\beta}{2\tan^2\frac\beta2}이다. 따라서, 제시문 [다]에 의해limβ0+S(β)tanβ=limβ0+d2β2tan2β2tanβ=limβ0+4d2(β2)2tanβ2tan2β2β=limβ0+4d2(β2)2cos2β22sin2β2sinββcosβ=2d2\displaystyle \begin{aligned}\lim_{\beta\to0^+}S(\beta)\tan\beta&=\lim_{\beta\to0^+}\frac{d^2\beta}{2\tan^2\frac\beta2}\tan\beta=\lim_{\beta\to0^+}\frac{4d^2\left(\frac\beta2\right)^2\tan\beta}{2\tan^2\frac\beta2\,\beta}\\&=\lim_{\beta\to0^+}\frac{4d^2\left(\frac\beta2\right)^2\cos^2\frac\beta2}{2\sin^2\frac\beta2}\frac{\sin\beta}{\beta\cos\beta}=2d^2\end{aligned}d=34\displaystyle d=\frac34이므로 limβ0+S(β)tanβ=98\displaystyle \lim_{\beta\to0^+}S(\beta)\tan\beta=\frac98이다.

고등학교 교육과정에서 필수적으로 다루어지는 원과 직선의 성질을 잘 이해하고 미적분의 기본적인 내용과 삼각함수를 기하적인 상황에 잘 활용할 수 있는지 평가한다. 구체적인 채점기준은 다음과 같다.

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