수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 2번

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문제

아래 논제에 답하시오. (25점)

좌표평면 위의 점 P\displaystyle \mathrm P가 다음 조건을 모두 만족시키며 움직인다고 하자.

(i) 시각 t=0\displaystyle t=0에서의 점 P\displaystyle \mathrm P의 위치는 (0,h)\displaystyle (0,h)이며 0≤h≤1\displaystyle 0\le h\le1이다.(ii) 점 P\displaystyle \mathrm P는 시각 t\displaystyle t에서 속력 v(t)=t\displaystyle v(t)=t로 x\displaystyle x축과 평행한 직선 위를 움직이다가 곡선 y=−x2+2x\displaystyle y=\sqrt{-x^2+2x} (1≤x≤2\displaystyle 1\le x\le2)를 만나면 곡선을 따라 일정한 속력 3\displaystyle \sqrt3으로 움직인다.(iii) 시각 t\displaystyle t에서의 점 P\displaystyle \mathrm P의 x\displaystyle x좌표 x(t)\displaystyle x(t)는 t1<t2\displaystyle t_1<t_2일 때 x(t1)<x(t2)\displaystyle x(t_1)<x(t_2)이다.

수평선과 원호를 따라 (0,h)에서 (2,0)으로 이동하는 점 P

점 P\displaystyle \mathrm P가 점 (0,h)\displaystyle (0,h)에서 점 (2,0)\displaystyle (2,0)까지 이동하는데 걸리는 시간이 최대가 되도록 하는 h\displaystyle h를 구하시오.

해설강의 준비중
+25점 · 점 P\displaystyle \mathrm P가 움직이는 거리와 시간을 원호의 길이 θ\displaystyle \theta에 대한 함수로 나타내고 도함수 및 극값의 조건으로부터 시각 t=0\displaystyle t=0에서의 점 P\displaystyle \mathrm P에서의 위치를 구할 수 있다.
A(0,h)에서 Q까지 수평 이동하고 Q에서 B(2,0)까지 원호 이동

위의 그림과 같이 시각 t=0\displaystyle t=0에서의 점 P\displaystyle \mathrm P의 위치를 A\displaystyle \mathrm A로 나타내고 곡선 y=−x2+2x\displaystyle y=\sqrt{-x^2+2x}를 만날 때의 점 P\displaystyle \mathrm P의 위치를 Q\displaystyle \mathrm Q로 나타내자.1≤x≤2\displaystyle 1\le x\le2일 때 곡선 y=−x2+2x\displaystyle y=\sqrt{-x^2+2x}은 중심이 C(1,0)\displaystyle \mathrm C(1,0)이고 반지름이 1인 원의 일부이므로, 위의 그림에서 ∠QCB=θ\displaystyle \angle\mathrm{QCB}=\theta이면 Q=(1+cos⁡θ,sin⁡θ)\displaystyle \mathrm Q=(1+\cos\theta,\sin\theta)이다.점 P\displaystyle \mathrm P가 곡선 y=−x2+2x\displaystyle y=\sqrt{-x^2+2x}를 만날때의 시각을 T\displaystyle T라고 하면, 조건 (ii)에 의하여 0≤t≤T\displaystyle 0\le t\le T일 때 시각 t\displaystyle t에서의 점 P\displaystyle \mathrm P의 x\displaystyle x좌표는 x0+∫0tu du\displaystyle x_0+\int_0^t u\,du인데 x0=0\displaystyle x_0=0이므로 t22\displaystyle \frac{t^2}2이다.따라서 점 P\displaystyle \mathrm P의 시각 t\displaystyle t에서의 위치는 (t22,h)\displaystyle \left(\frac{t^2}2,h\right)이고 h=sin⁡θ\displaystyle h=\sin\theta이다.또한 T22=1+cos⁡θ\displaystyle \frac{T^2}2=1+\cos\theta로부터 T=2(1+cos⁡θ)\displaystyle T=\sqrt{2(1+\cos\theta)}이다.점 P\displaystyle \mathrm P는 점 Q\displaystyle \mathrm Q로부터 (2,0)\displaystyle (2,0)까지 곡선 y=−x2+2x\displaystyle y=\sqrt{-x^2+2x} 위를 속력 3\displaystyle \sqrt3으로 움직이는데 이때 점 P\displaystyle \mathrm P가 움직이는 거리는 rθ=θ\displaystyle r\theta=\theta이므로, 곡선 y=−x2+2x\displaystyle y=\sqrt{-x^2+2x}를 움직이는데 걸리는 시간은 θ3\displaystyle \frac\theta{\sqrt3}이다.따라서 점 P\displaystyle \mathrm P가 (0,h)=(0,sin⁡θ)\displaystyle (0,h)=(0,\sin\theta)를 출발하여 (2,0)\displaystyle (2,0)에 도착하는데 걸리는 시간 t(θ)\displaystyle t(\theta)와 t(θ)\displaystyle t(\theta)의 도함수 및 이계도함수는 각각 다음과 같다.t(θ)=2+2cos⁡θ+θ3t′(θ)=−sin⁡θ2+2cos⁡θ+13t′′(θ)=−2(1+cos⁡θ)4\displaystyle \begin{aligned}t(\theta)&=\sqrt{2+2\cos\theta}+\frac\theta{\sqrt3}\\t^{\prime}(\theta)&=\frac{-\sin\theta}{\sqrt{2+2\cos\theta}}+\frac1{\sqrt3}\\t^{\prime\prime}(\theta)&=-\frac{\sqrt{2(1+\cos\theta)}}4\end{aligned}θ=θ1\displaystyle \theta=\theta_1에서 함수 t(θ)\displaystyle t(\theta)가 극값을 가질 때 t′(θ1)=0\displaystyle t^{\prime}(\theta_1)=0이므로sin⁡θ12+2cos⁡θ1=13,sin⁡2θ12+2cos⁡θ1=1−cos⁡2θ12(1+cos⁡θ1)\displaystyle \frac{\sin\theta_1}{\sqrt{2+2\cos\theta_1}}=\frac1{\sqrt3},\quad\frac{\sin^2\theta_1}{2+2\cos\theta_1}=\frac{1-\cos^2\theta_1}{2(1+\cos\theta_1)}0≤θ1≤π2\displaystyle 0\le\theta_1\le\frac\pi2이므로 1+cos⁡θ1≠0\displaystyle 1+\cos\theta_1\ne0이고 1−cos⁡θ12=13\displaystyle \frac{1-\cos\theta_1}2=\frac13이로부터 cos⁡θ1=13\displaystyle \cos\theta_1=\frac13이고 sin⁡θ1=223\displaystyle \sin\theta_1=\frac{2\sqrt2}3이다. 이때 t(θ1)\displaystyle t(\theta_1)은 0≤θ≤π2\displaystyle 0\le\theta\le\frac\pi2에서 유일한 극값이고, t′′(θ1)<0\displaystyle t^{\prime\prime}(\theta_1)<0이므로 t(θ1)\displaystyle t(\theta_1)은 극댓값이다.그러므로 t(θ)\displaystyle t(\theta)는 θ=θ1\displaystyle \theta=\theta_1에서 최댓값을 가지고 이때 h=sin⁡θ1=223\displaystyle h=\sin\theta_1=\frac{2\sqrt2}3이다.

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