수리논술, 이게 다다.

자연계열 (2차) 1번

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문제

[가] 서로 다른 n\displaystyle n개에서 r\displaystyle r개를 택하는 순열의 수는 nPr=n(n−1)(n−2)⋯(n−r+1)\displaystyle {}_n\mathrm{P}_r=n(n-1)(n-2)\cdots(n-r+1) (단, 0<r≤n\displaystyle 0<r\le n)

[나] 좌표평면 위를 움직이는 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 시각 t\displaystyle t에서 위치가 (x,y)\displaystyle (x,y)이고, x,y\displaystyle x,y가 t\displaystyle t의 함수일 때, 시각 t\displaystyle t에서 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 속도는 (dxdt,dydt)\displaystyle \left(\frac{dx}{dt},\frac{dy}{dt}\right), 속력은 (dxdt)2+(dydt)2\displaystyle \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}

【1-1】 다음 그림과 같은 도로망이 있다. 서강이와 한국이는 P\displaystyle \mathrm{P}지점을 동시에 출발하여 같은 속력으로 Q\displaystyle \mathrm{Q}지점까지 최단 경로로 이동한다. 서강이와 한국이가 이동 중에 만나지 않고 Q\displaystyle \mathrm{Q}지점에 도착할 확률을 구하시오.

P에서 Q로 가는 도로망

【1-2】 I♡Sogang의 7\displaystyle 7개의 문자 I, S, o, g, a, n, g와 1\displaystyle 1개의 기호 ♡를 일렬로 나열할 때, 기호 ♡와 문자 g가 이웃하도록 나열하는 경우의 수를 구하시오.

【1-3】 미분가능한 함수 f(t)\displaystyle f(t)에 대하여 좌표평면 위를 움직이는 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 시각 t\displaystyle t에서 위치 (x,y)\displaystyle (x,y)가 x=f(t)\displaystyle x=f(t), y=sin⁡f(t)\displaystyle y=\sin f(t)이다. x=π3\displaystyle x=\frac\pi3에서 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 속력이 1\displaystyle 1일 때, 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 속도로 가능한 것을 모두 구하시오.

【1-4】 다음 그림과 같이 닫힌구간 [0,π]\displaystyle [0,\pi]에서 두 곡선 y=sin⁡x\displaystyle y=\sin x와 y=−sin⁡x\displaystyle y=-\sin x로 둘러싸인 도형에 내접하는 직사각형이 있다. 직사각형의 한 꼭짓점의 좌표를 (t,sin⁡t)\displaystyle (t,\sin t)라 할 때, 직사각형의 넓이가 최대가 되는 t=t0\displaystyle t=t_0가 오직 하나 존재함을 보이시오. 또한, 정적분 ∫0t0(1+sec⁡2x) dx\displaystyle \int_0^{t_0}(1+\sec^2x)\,dx의 값을 구하시오.(단, 0<t<π2\displaystyle 0<t<\frac\pi2)

사인함수 두 곡선 사이에 내접하는 직사각형
해설강의 준비중

논술 카탈란 수

· 【1-1】 주어진 도로망에서 최단 경로로 이동하는 경우의 수를 계산할 수 있다. 제시문 [가]에 주어진 순열의 수와 함께 수학적 확률의 정의를 이용하여 확률을 계산할 수 있다.

【1-1】 그림 1\displaystyle 1과 같은 도로망에서 P\displaystyle \mathrm{P}지점을 출발하여 Q\displaystyle \mathrm{Q}지점까지 최단 경로로 이동하는 경우의 수는 5!3!2!=10\displaystyle \frac{5!}{3!2!}=10이므로, 근원사건의 개수는 10×10=100\displaystyle 10\times10=100이다.

그림 1, 2, 3: 도로망과 서로 만나지 않는 경로의 두 유형

서강이와 한국이가 도중에 만나지 않고 이동하는 경우의 수는 다음과 같이 두 가지로 나누어 구할 수 있다.① 서강이가 그림 2\displaystyle 2처럼 F\displaystyle \mathrm{F}지점과 B\displaystyle \mathrm{B}지점을 통과하는 경우: 이때 한국이는 그림 3\displaystyle 3처럼 I\displaystyle \mathrm{I}지점과 E\displaystyle \mathrm{E}지점을 통과해야 한다.② 서강이가 그림 3\displaystyle 3처럼 I\displaystyle \mathrm{I}지점과 E\displaystyle \mathrm{E}지점을 통과하는 경우: 이때 한국이는 그림 2\displaystyle 2처럼 F\displaystyle \mathrm{F}지점과 B\displaystyle \mathrm{B}지점을 통과해야 한다.① 서강이가 F\displaystyle \mathrm{F}지점과 B\displaystyle \mathrm{B}지점을 통과하는 경우:

그림 4, 5, 6: 서강이와 한국이의 가능한 경로

①-ⓐ (그림 4\displaystyle 4) 서강이가 PFCABQ(빨간 선)인 경로로 이동하는 경우, 한국이가 이동할 수 있는 경로는 3\displaystyle 3가지(검은 선)이다.①-ⓑ (그림 5\displaystyle 5) 서강이가 PFCDBQ(빨간 선)인 경로로 이동하는 경우, 한국이가 이동할 수 있는 경로는 2\displaystyle 2가지(검은 선)이다.①-ⓒ (그림 6\displaystyle 6) 서강이가 PFGDBQ(빨간 선)인 경로로 이동하는 경우, 한국이가 이동할 수 있는 경로는 1\displaystyle 1가지(검은 선)이다.따라서, ①에 해당하는 경우의 수는 3+2+1=6\displaystyle 3+2+1=6가지이다.② 서강이가 I\displaystyle \mathrm{I}지점과 E\displaystyle \mathrm{E}지점을 통과하는 경우:①에서 서강이와 한국이가 택한 경로를 서로 맞바꾸면 되므로 ①에 해당하는 경우의 수와 같이 6\displaystyle 6가지이다.그러므로 서강이와 한국이가 도중에 만나지 않고 이동하는 경우의 수는 6+6=12\displaystyle 6+6=12가지이다.따라서 서강이와 한국이가 이동 중에 만나지 않고 Q\displaystyle \mathrm{Q}지점에 도착할 확률은 12100=325\displaystyle \frac{12}{100}=\frac3{25}이다.

· 【1-2】 같은 것이 있는 순열을 이해하고 그 순열의 수를 구할 수 있다. 이웃하도록 나열하는 경우의 수를 구할 수 있다.

【1-2】 ① 문자 g가 기호 ♡의 왼쪽에 이웃하도록 나열하는 경우의 수는 ‘g♡’, ‘I’, ‘S’, ‘o’, ‘a’, ‘n’, ‘g’를 일렬로 나열하는 경우의 수와 같으므로, 7!=5040\displaystyle 7!=5040이다.② 문자 g가 기호 ♡의 오른쪽에 이웃하도록 나열하는 경우의 수는 ‘♡g’, ‘I’, ‘S’, ‘o’, ‘a’, ‘n’, ‘g’를 일렬로 나열하는 경우의 수와 같으므로, 7!=5040\displaystyle 7!=5040이다.③ 문자 g가 기호 ♡의 왼쪽 및 오른쪽에 각각 이웃하도록 나열하는 경우의 수는 ‘g♡g’, ‘I’, ‘S’, ‘o’, ‘a’, ‘n’을 일렬로 나열하는 경우의 수와 같으므로, 6!=720\displaystyle 6!=720이다.따라서, 기호 ♡와 문자 g가 이웃하도록 나열하는 경우의 수는5040+5040−720=9360\displaystyle 5040+5040-720=9360

· 【1-3】 제시문 [나]를 이해하고 합성함수의 미분법을 활용하여 좌표평면 위를 움직이는 점의 속도와 속력을 구할 수 있다.

【1-3】 dxdt=f′(t)\displaystyle \frac{dx}{dt}=f^{\prime}(t), dydt=f′(t)cos⁡f(t)\displaystyle \frac{dy}{dt}=f^{\prime}(t)\cos f(t)이므로 제시문 [나]에 의해 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 속력은(dxdt)2+(dydt)2={f′(t)}2+{f′(t)cos⁡f(t)}2=∣f′(t)∣1+cos⁡2f(t)\displaystyle \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}=\sqrt{\{f^{\prime}(t)\}^2+\{f^{\prime}(t)\cos f(t)\}^2}=|f^{\prime}(t)|\sqrt{1+\cos^2f(t)}x=π3\displaystyle x=\frac\pi3일 때의 시각을 t0\displaystyle t_0라고 하면, f(t0)=x=π3\displaystyle f(t_0)=x=\frac\pi3이고 이때 속력이 1\displaystyle 1이므로∣f′(t0)∣1+cos⁡2f(t0)=∣f′(t0)∣1+14=1\displaystyle |f^{\prime}(t_0)|\sqrt{1+\cos^2f(t_0)}=|f^{\prime}(t_0)|\sqrt{1+\frac14}=1따라서 dxdt=f′(t0)=±255\displaystyle \frac{dx}{dt}=f^{\prime}(t_0)=\pm\frac{2\sqrt5}{5}이고 dydt=f′(t0)cos⁡f(t0)=±255cos⁡π3=±55\displaystyle \frac{dy}{dt}=f^{\prime}(t_0)\cos f(t_0)=\pm\frac{2\sqrt5}{5}\cos\frac\pi3=\pm\frac{\sqrt5}{5}이다.그러므로, x=π3\displaystyle x=\frac\pi3에서 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 가능한 속도는 제시문 [나]에 의해(255,55),(−255,−55)\displaystyle \left(\frac{2\sqrt5}{5},\frac{\sqrt5}{5}\right),\quad\left(-\frac{2\sqrt5}{5},-\frac{\sqrt5}{5}\right)

· 【1-4】 직사각형의 넓이를 t\displaystyle t에 대한 함수로 표현할 수 있다. 삼각함수의 미분과 곱의 미분법을 이용하여 함숫값이 최대가 되는 t=t0\displaystyle t=t_0가 오직 하나 존재함을 보일 수 있다. t0\displaystyle t_0가 만족하는 등식을 이용하여 주어진 정적분의 값을 계산할 수 있다.

【1-4】 직사각형의 넓이를 S(t)\displaystyle S(t)라고 하면,S(t)=2(π2−t)×2sin⁡t=4(π2−t)sin⁡t(0<t<π2)\displaystyle S(t)=2\left(\frac\pi2-t\right)\times2\sin t=4\left(\frac\pi2-t\right)\sin t\quad\left(0<t<\frac\pi2\right)S′(t)=−4{sin⁡t−(π2−t)cos⁡t}=−4cos⁡t{tan⁡t−(π2−t)}\displaystyle S^{\prime}(t)=-4\left\{\sin t-\left(\frac\pi2-t\right)\cos t\right\}=-4\cos t\left\{\tan t-\left(\frac\pi2-t\right)\right\}이고 0<t<π2\displaystyle 0<t<\frac\pi2일 때 cos⁡t≠0\displaystyle \cos t\ne0이므로 S′(t)=0\displaystyle S^{\prime}(t)=0이기 위해서는 tan⁡t=π2−t\displaystyle \tan t=\frac\pi2-t를 만족해야 한다.0<t<π2\displaystyle 0<t<\frac\pi2에 대하여 f(t)=tan⁡t\displaystyle f(t)=\tan t, g(t)=π2−t\displaystyle g(t)=\frac\pi2-t라고 할 때, 두 함수의 그래프는 오른쪽 그림과 같다. f(0)<g(0)\displaystyle f(0)<g(0), lim⁡t→π2−f(t)=∞\displaystyle \lim_{t\to\frac\pi2^-}f(t)=\infty, g(π2)=0\displaystyle g\left(\frac\pi2\right)=0이라는 사실과 f(t)\displaystyle f(t)와 g(t)\displaystyle g(t)의 그래프에 의해 방정식 f(t)=g(t)\displaystyle f(t)=g(t)는 오직 하나의 실근을 갖는다. 이 실근을 t0\displaystyle t_0라고 하고, 함수 S(t)\displaystyle S(t)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

탄젠트함수와 직선의 유일한 교점

t0⋯t0⋯π2S′(t)+0−S(t)↗↘\displaystyle \begin{array}{c|ccccc}t&0&\cdots&t_0&\cdots&\frac\pi2\\\hline S^{\prime}(t)&&+&0&-&\\\hline S(t)&&\nearrow&&\searrow&\end{array}따라서, S(t)\displaystyle S(t)는 t=t0\displaystyle t=t_0일 때만 최대가 된다.또한, tan⁡t0=π2−t0\displaystyle \tan t_0=\frac\pi2-t_0이므로 정적분의 값은∫0t0(1+sec⁡2x) dx=[x+tan⁡x]0t0=t0+tan⁡t0=t0+(π2−t0)=π2\displaystyle \int_0^{t_0}(1+\sec^2x)\,dx=\Biggl[x+\tan x\Biggr]_0^{t_0}=t_0+\tan t_0=t_0+\left(\frac\pi2-t_0\right)=\frac\pi2

고등학교 교육과정에서 필수적으로 다루어지는 확률 및 미적분학의 기본적인 내용을 바탕으로 순열, 확률, 함수의 도함수와 정적분을 제대로 이해하고 이를 다양한 상황에 활용할 수 있는지 평가한다. 특히 같은 것이 있는 수학적 확률, 같은 것이 있는 순열, 좌표평면 위를 움직이는 한 점에 대한 속도, 정적분에 대한 문제를 해결하는 과정을 서술하도록 하였으며, 구체적인 채점 기준은 다음과 같다.

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