수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

【문제 1】

문제 1-A 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (20점)

좌표평면의 1사분면 위의 점 P(a,b)\displaystyle P(a,b) (a>0,b>0\displaystyle a>0,b>0)가 있다. 빗변이 점 P\displaystyle P를 지나고 나머지 두 변이 양의 x\displaystyle x축, 양의 y\displaystyle y축 위에 놓여 있는 직각삼각형 중 최소 넓이를 갖는 직각삼각형의 넓이를 F(a,b)\displaystyle F(a,b)라 할 때, 다음 문항에 답하시오 (〈그림 1(a)〉 참조).

점 P를 지나는 빗변을 가진 직각삼각형과 타원 위의 점 P, 그림1(a)와1(b)

(1) 함수 F(a,b)\displaystyle F(a,b)의 식을 구하시오.

(2) 타원 x29+y24=1\displaystyle \frac{x^2}9+\frac{y^2}4=1 위에 있는 점 P(a,b)\displaystyle P(a,b) 중에서, F(a,b)\displaystyle F(a,b)가 최대가 되는 점 P\displaystyle P를 구하시오. (〈그림 1(b)〉 참조)

문제 1-B 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (30점)

(가) 좌표공간에서 점 P(x1,y1,z1)\displaystyle P(x_1,y_1,z_1)을 지나고, 영벡터가 아닌 벡터 u⃗=(a,b,c)\displaystyle \vec u=(a,b,c)에 평행한 직선 l\displaystyle l의 방정식을 구하기 위하여 직선 l\displaystyle l 위의 임의의 점을 X(x,y,z)\displaystyle X(x,y,z)라 하면 벡터 PX→\displaystyle \overrightarrow{PX}는 u⃗\displaystyle \vec u와 평행하므로 PX→=tu⃗\displaystyle \overrightarrow{PX}=t\vec u가 되는 t\displaystyle t가 존재한다. PX→=X−P\displaystyle \overrightarrow{PX}=X-P이므로 X=P+tu⃗\displaystyle X=P+t\vec u가 성립하고, 이 식을 성분으로 나타내면 x=x1+at\displaystyle x=x_1+at, y=y1+bt\displaystyle y=y_1+bt, z=z1+ct\displaystyle z=z_1+ct가 된다. abc≠0\displaystyle abc\ne0인 경우, 이 식에서 t\displaystyle t를 소거하면 다음의 직선의 방정식을 얻는다.x−x1a=y−y1b=z−z1c\displaystyle \frac{x-x_1}a=\frac{y-y_1}b=\frac{z-z_1}c[출처 : 기하와 벡터 「직선과 평면의 방정식」](나) 영벡터가 아닌 두 벡터 a⃗\displaystyle \vec a, b⃗\displaystyle \vec b가 이루는 각의 크기가 θ\displaystyle \theta일 때, 벡터 a⃗\displaystyle \vec a, b⃗\displaystyle \vec b의 내적은a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣ ∣b⃗∣cos⁡θ\displaystyle \vec a\cdot\vec b=|\vec a|\,|\vec b|\cos\theta로 정의한다. 그리고 a⃗=0⃗\displaystyle \vec a=\vec0 또는 b⃗=0⃗\displaystyle \vec b=\vec0일 때에는 a⃗⋅b⃗=0\displaystyle \vec a\cdot\vec b=0으로 정의한다. 공간벡터 a⃗=(a1,a2,a3)\displaystyle \vec a=(a_1,a_2,a_3), b⃗=(b1,b2,b3)\displaystyle \vec b=(b_1,b_2,b_3), c⃗=(c1,c2,c3)\displaystyle \vec c=(c_1,c_2,c_3)에 대하여 다음의 법칙들이 성립한다.① a⃗⋅b⃗=a1b1+a2b2+a3b3\displaystyle \vec a\cdot\vec b=a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3② a⃗⋅b⃗=b⃗⋅a⃗\displaystyle \vec a\cdot\vec b=\vec b\cdot\vec a③ a⃗⋅(b⃗+c⃗)=a⃗⋅b⃗+a⃗⋅c⃗\displaystyle \vec a\cdot(\vec b+\vec c)=\vec a\cdot\vec b+\vec a\cdot\vec c④ (ka⃗)⋅b⃗=k(a⃗⋅b⃗)\displaystyle (k\vec a)\cdot\vec b=k(\vec a\cdot\vec b) (단, k\displaystyle k는 실수)[출처 : 기하와 벡터 「벡터의 성분과 내적」]

좌표공간 위에 주어진 두 직선L1:x−44=y+6−5=z−52L2:x+1=y+1=−(z−8)\displaystyle L_1:\frac{x-4}4=\frac{y+6}{-5}=\frac{z-5}2\qquad L_2:x+1=y+1=-(z-8)에 대하여 다음 문항에 답하시오.

(1) 점 A는 점 (4,−6,5)\displaystyle (4,-6,5)에서 출발하여, 직선 L1\displaystyle L_1을 따라 x\displaystyle x가 감소하는 방향으로 시간당 35\displaystyle 3\sqrt5의 일정한 속력으로 움직인다. 한편, 점 B는 점 (−1,−1,8)\displaystyle (-1,-1,8)에서 출발하여, 직선 L2\displaystyle L_2를 따라 x\displaystyle x가 감소하는 방향으로 시간당 3\displaystyle \sqrt3의 일정한 속력으로 움직인다. 두 점 A, B가 동시에 출발한다고 할 때, 두 점의 거리가 가장 가까워지는 것은 출발 뒤 몇 시간 후인지 구하시오.

(2) 두 직선 L1,L2\displaystyle L_1,L_2와 각각 수직으로 만나는 직선을 L\displaystyle L이라고 하자. 이때, L1\displaystyle L_1과 L\displaystyle L의 교점 P1\displaystyle P_1, L2\displaystyle L_2와 L\displaystyle L의 교점 P2\displaystyle P_2를 각각 구하시오.

(3) 문항 (2)에서 구한 P1,P2\displaystyle P_1,P_2 사이의 거리가 두 직선 L1,L2\displaystyle L_1,L_2 사이의 최소거리임을 보이시오. 즉, 직선 L1\displaystyle L_1 위의 임의의 점 Q1\displaystyle Q_1과 직선 L2\displaystyle L_2 위의 임의의 점 Q2\displaystyle Q_2에 대하여 부등식 ∣Q1Q2→∣≥∣P1P2→∣\displaystyle |\overrightarrow{Q_1Q_2}|\ge|\overrightarrow{P_1P_2}|가 항상 성립함을 보이시오.[도움말 : Q1Q2→=Q1P1→+P1P2→+P2Q2→\displaystyle \overrightarrow{Q_1Q_2}=\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_1P_2}+\overrightarrow{P_2Q_2}]

해설강의 준비중
1-A (1) · - S(m)=12(a−bm)(b−am)\displaystyle S(m)=\frac12\left(a-\frac bm\right)(b-am) - S′(m)=12⋅(b+am)(b−am)m2\displaystyle S^{\prime}(m)=\frac12\cdot\frac{(b+am)(b-am)}{m^2} - F(a,b)=2ab\displaystyle F(a,b)=2ab

문제 1-A(1) 점 P(a,b)\displaystyle P(a,b)를 지나는 기울기가 m\displaystyle m인 직선, 양의 x\displaystyle x축, 양의 y\displaystyle y축이 결정하는 직각삼각형에 대하여, 그 면적을 S(m)\displaystyle S(m)이라고 하면S(m)=12(a−bm)(b−am)=12(2ab−a2m−b2m)\displaystyle S(m)=\frac12\left(a-\frac bm\right)(b-am)=\frac12\left(2ab-a^2m-\frac{b^2}m\right)이 된다. S(m)\displaystyle S(m)의 도함수를 구하면S′(m)=12⋅(b+am)(b−am)m2\displaystyle S^{\prime}(m)=\frac12\cdot\frac{(b+am)(b-am)}{m^2}이다. a,b\displaystyle a,b는 양수이고, 기울기 m\displaystyle m은 음수이므로, S′\displaystyle S^{\prime}의 부호는 m=−ba\displaystyle m=-\frac ba를 기준으로 음에서 양으로 변한다. 따라서 S(m)\displaystyle S(m)은 m=−ba\displaystyle m=-\frac ba일 때 최소값 S(−ba)=2ab\displaystyle S\left(-\frac ba\right)=2ab를 갖는다. 그러므로F(a,b)=S(−ba)=2ab\displaystyle F(a,b)=S\left(-\frac ba\right)=2ab이다.

1-A (2) · - G(a)=43a9−a2(0<a<3)\displaystyle G(a)=\frac43a\sqrt{9-a^2}\quad(0<a<3) - G′(a)=439−a2(9−2a2)\displaystyle G^{\prime}(a)=\frac4{3\sqrt{9-a^2}}(9-2a^2) - 점 P(322,2)\displaystyle P\left(\frac{3\sqrt2}2,\sqrt2\right)에서 최댓값 6

(2) 점 P(a,b)\displaystyle P(a,b)가 곡선 y=21−x29\displaystyle y=2\sqrt{1-\frac{x^2}9} 위에 놓이므로, b=21−a29\displaystyle b=2\sqrt{1-\frac{a^2}9}이 성립한다. 이를 문항 (1)에서 얻은 F(a,b)\displaystyle F(a,b)의 식에 대입하면G(a)=F(a,21−a2/9)=43a9−a2,(0<a<3)\displaystyle G(a)=F\left(a,2\sqrt{1-a^2/9}\right)=\frac43a\sqrt{9-a^2},\quad(0<a<3)를 얻는다. G(a)\displaystyle G(a)의 도함수를 구하면G′(a)=439−a2−43aa9−a2=439−a2(9−2a2)\displaystyle G^{\prime}(a)=\frac43\sqrt{9-a^2}-\frac43a\frac a{\sqrt{9-a^2}}=\frac4{3\sqrt{9-a^2}}(9-2a^2)이다. 열린 구간 (0,3)\displaystyle (0,3)에서 도함수 G′(a)\displaystyle G^{\prime}(a)의 부호가 a=322\displaystyle a=\frac{3\sqrt2}2를 기준으로 양에서 음으로 변하므로, G(a)\displaystyle G(a)는 a=322\displaystyle a=\frac{3\sqrt2}2에서 최댓값을 갖는다. 따라서 F(a,b)\displaystyle F(a,b)는 점 P(322,2)\displaystyle P\left(\frac{3\sqrt2}2,\sqrt2\right)에서 최댓값 6을 갖는다.

1-B (1) · - 시각 t\displaystyle t에서의 점 A의 위치: (−4t+4,5t−6,−2t+5)\displaystyle (-4t+4,5t-6,-2t+5) - 시각 t\displaystyle t에서의 점 B의 위치: (−t−1,−t−1,t+8)\displaystyle (-t-1,-t-1,t+8) - d(t)=6(3t−2)2+35\displaystyle d(t)=\sqrt{6(3t-2)^2+35}는 t=23\displaystyle t=\frac23에서 최소

문제 1-B(1) 점 A의 속도벡터 a⃗\displaystyle \vec a는 (4,−5,2)\displaystyle (4,-5,2)와 평행한 벡터 중에서 크기가 35\displaystyle 3\sqrt5이고 x\displaystyle x성분이 음수인 벡터이므로, a⃗=(−4,5,−2)\displaystyle \vec a=(-4,5,-2)이다. 또한 점 B의 속도벡터 b⃗\displaystyle \vec b는 (1,1,−1)\displaystyle (1,1,-1)과 평행한 벡터 중에서 크기가 3\displaystyle \sqrt3이고 x\displaystyle x성분이 음수인 벡터이므로, b⃗=(−1,−1,1)\displaystyle \vec b=(-1,-1,1)이다.점 A의 출발점은 (4,−6,5)\displaystyle (4,-6,5)이고 그 속도는 a⃗=(−4,5,−2)\displaystyle \vec a=(-4,5,-2)이므로, 시각 t\displaystyle t에서의 점 A의 위치는(4,−6,5)+t(−4,5,−2)=(−4t+4,5t−6,−2t+5)\displaystyle (4,-6,5)+t(-4,5,-2)=(-4t+4,5t-6,-2t+5)이다. 또한, 점 B의 출발점은 (−1,−1,8)\displaystyle (-1,-1,8)이고 그 속도는 b⃗=(−1,−1,1)\displaystyle \vec b=(-1,-1,1)이므로, 시각 t\displaystyle t에서의 점 B의 위치는(−1,−1,8)+t(−1,−1,1)=(−t−1,−t−1,t+8)\displaystyle (-1,-1,8)+t(-1,-1,1)=(-t-1,-t-1,t+8)이다. 따라서 시각 t\displaystyle t에서의 두 점 A, B 사이의 거리는d(t)=(3t−5)2+(−6t+5)2+(3t+3)2\displaystyle d(t)=\sqrt{(3t-5)^2+(-6t+5)^2+(3t+3)^2}으로 주어진다. 위 식을 정리하면d(t)=54t2−72t+59=6(3t−2)2+35\displaystyle d(t)=\sqrt{54t^2-72t+59}=\sqrt{6(3t-2)^2+35}이다. 따라서 t=23\displaystyle t=\frac23일 때, 즉 23\displaystyle \frac23시간 후 두 점 A, B 사이의 거리가 가장 가까워진다.

1-B (2) · - 직선 L\displaystyle L은 v⃗=(1,2,3)\displaystyle \vec v=(1,2,3)와 평행 - P1P2→=(−4t+s−5,5t+s+5,−2t−s+3)=k(1,2,3)\displaystyle \overrightarrow{P_1P_2}=(-4t+s-5,5t+s+5,-2t-s+3)=k(1,2,3) - P1=(0,−1,3)\displaystyle P_1=(0,-1,3), P2=(1,1,6)\displaystyle P_2=(1,1,6)

(2) L\displaystyle L의 방향벡터를 v⃗=(a,b,c)\displaystyle \vec v=(a,b,c)라고 하자. 벡터 v⃗\displaystyle \vec v는 L1\displaystyle L_1의 방향벡터 v⃗1=(4,−5,2)\displaystyle \vec v_1=(4,-5,2)과 L2\displaystyle L_2의 방향벡터 v⃗2=(−1,−1,1)\displaystyle \vec v_2=(-1,-1,1)과 모두 수직이므로, v⃗⋅v⃗1=0\displaystyle \vec v\cdot\vec v_1=0과 v⃗⋅v⃗2=0\displaystyle \vec v\cdot\vec v_2=0이 성립한다. 이로부터 일차연립방정식{4a−5b+2c=0a+b−c=0\displaystyle \begin{cases}4a-5b+2c=0\\a+b-c=0\end{cases}을 얻고, 이를 계산하여 b=2a\displaystyle b=2a, c=3a\displaystyle c=3a이 된다. 따라서 직선 L\displaystyle L은 v⃗=(1,2,3)\displaystyle \vec v=(1,2,3)와 평행이다.P1,P2\displaystyle P_1,P_2는 각각 L1,L2\displaystyle L_1,L_2 위의 점이므로, 다음과 같이 표현할 수 있다.P1=(4t+4,−5t−6,2t+5),P2=(s−1,s−1,−s+8)\displaystyle P_1=(4t+4,-5t-6,2t+5),\quad P_2=(s-1,s-1,-s+8)이때 직선 L\displaystyle L은 P1P2→\displaystyle \overrightarrow{P_1P_2}와 평행이므로, 어떤 실수 k\displaystyle k에 대하여(−4t+s−5,5t+s+5,−2t−s+3)=k(1,2,3)\displaystyle (-4t+s-5,5t+s+5,-2t-s+3)=k(1,2,3)이 성립한다. 위 식을 계산하면 t=−1\displaystyle t=-1과 s=2\displaystyle s=2가 되므로,P1=(0,−1,3),P2=(1,1,6)\displaystyle P_1=(0,-1,3),\quad P_2=(1,1,6)을 얻는다.

1-B (3) · - ∣Q1Q2→∣2=(Q1P1→+P1P2→+P2Q2→)⋅(Q1P1→+P1P2→+P2Q2→)=(Q1P1→+P2Q2→)⋅(Q1P1→+P2Q2→)+P1P2→⋅P1P2→=∣Q1P1→+P2Q2→∣2+∣P1P2→∣2≥∣P1P2→∣2\displaystyle \begin{aligned}|\overrightarrow{Q_1Q_2}|^2&=(\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_1P_2}+\overrightarrow{P_2Q_2})\cdot(\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_1P_2}+\overrightarrow{P_2Q_2})\\&=(\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_2Q_2})\cdot(\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_2Q_2})+\overrightarrow{P_1P_2}\cdot\overrightarrow{P_1P_2}\\&=|\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_2Q_2}|^2+|\overrightarrow{P_1P_2}|^2\ge|\overrightarrow{P_1P_2}|^2\end{aligned}

(3) 직선 L1\displaystyle L_1위의 점 Q1\displaystyle Q_1과 L2\displaystyle L_2 위의 점 Q2\displaystyle Q_2에 대하여, 벡터 Q1Q2→\displaystyle \overrightarrow{Q_1Q_2}를Q1Q2→=Q1P1→+P1P2→+P2Q2→\displaystyle \overrightarrow{Q_1Q_2}=\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_1P_2}+\overrightarrow{P_2Q_2}로 쓸 수 있다. 벡터 Q1P1→\displaystyle \overrightarrow{Q_1P_1}과 Q2P2→\displaystyle \overrightarrow{Q_2P_2}가 모두 P1P2→\displaystyle \overrightarrow{P_1P_2}와 수직이 됨을 이용하면∣Q1Q2→∣2=Q1Q2→⋅Q1Q2→=(Q1P1→+P1P2→+P2Q2→)⋅(Q1P1→+P1P2→+P2Q2→)=(Q1P1→+P2Q2→)⋅(Q1P1→+P2Q2→)+P1P2→⋅P1P2→=∣Q1P1→+P2Q2→∣2+∣P1P2→∣2≥∣P1P2→∣2\displaystyle \begin{aligned}|\overrightarrow{Q_1Q_2}|^2&=\overrightarrow{Q_1Q_2}\cdot\overrightarrow{Q_1Q_2}=(\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_1P_2}+\overrightarrow{P_2Q_2})\cdot(\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_1P_2}+\overrightarrow{P_2Q_2})\\&=(\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_2Q_2})\cdot(\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_2Q_2})+\overrightarrow{P_1P_2}\cdot\overrightarrow{P_1P_2}\\&=|\overrightarrow{Q_1P_1}+\overrightarrow{P_2Q_2}|^2+|\overrightarrow{P_1P_2}|^2\\&\ge|\overrightarrow{P_1P_2}|^2\end{aligned}을 얻는다. 따라서∣Q1Q2→∣≥∣P1P2→∣\displaystyle |\overrightarrow{Q_1Q_2}|\ge|\overrightarrow{P_1P_2}|가 성립한다.

- 가점 요인: 글의 논리성, 정확한 근거의 논리적 제시, 서술 능력 등을 종합적으로 판단하여 점수를 결정

- 감점 요인: 비문, 비논리적 전개, 기본 글쓰기 불량(띄어쓰기, 맞춤법 불량 등), 불완전한 수식의 표현 등

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