수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 3번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · 우주선의 시각 t\displaystyle t에서의 위치를 계산하고 혜성과 우주선 사이의 거리를 함수로 나타내어 최솟값을 구할 수 있다.

(1) 우주선의 시각 t\displaystyle t에서의 위치는 x=2t22\displaystyle x=\sqrt2t-2\sqrt2, y=2t5\displaystyle y=2t-5이다.시각 t\displaystyle t에서 우주선과 혜성 사이의 거리를 r(t)\displaystyle r(t)라고 할 때(r(t))2=2(t2)2+(t24t+8)2\displaystyle (r(t))^2=2(t-2)^2+(t^2-4t+8)^2s(t)=(r(t))2\displaystyle s(t)=(r(t))^2이라고 하고 함수 s(t)\displaystyle s(t)의 도함수를 구하자.s(t)=4(t2)+2(t24t+8)(2t4)=4(t2)(t24t+9)\displaystyle s^{\prime}(t)=4(t-2)+2(t^2-4t+8)(2t-4)=4(t-2)(t^2-4t+9)이로부터 함수 s(t)\displaystyle s(t)의 증감을 표로 나타내면 다음과 같다.

s(t)는 t=2에서 최솟값 16을 갖는 증감표. 원문 첫 행의 변수는 x.

그러므로 함수 s(t)\displaystyle s(t)t=2\displaystyle t=2에서 최솟값 16을 가지고, 이때 r(2)=4\displaystyle r(2)=4이다.즉, 혜성과 우주선 사이의 거리가 최소가 되는 시각은 t=2\displaystyle t=2이고 그 때의 혜성과 우주선 사이의 거리는 4이다.

+15점 · 혜성이 지나는 곡선과 우주선이 지나는 직선이 가장 가까울 때 혜성이 지나는 시각을 구하고 이로부터 우주선이 시각 t=0\displaystyle t=0에서 어느 위치에 있어야 하는지 계산할 수 있다.

(2) 혜성을 가능한 가장 가까운 거리에서 관측하기 위해서는 혜성이 움직이는 곡선 C\displaystyle C 위의 점과 우주선이 움직이는 직선 \displaystyle \ell 위의 점 중 가장 가까운 두 점을 혜성과 우주선이 각각 같은 시각에 지나야 한다.우주선이 움직이는 직선의 기울기는 2\displaystyle \sqrt2이므로 곡선 C\displaystyle C 위의 점 중 직선 \displaystyle \ell과 가장 가까운 점을 P\displaystyle \mathrm P라고 할 때, 곡선 C\displaystyle C 위의 점 P\displaystyle \mathrm P에서 접하는 접선의 기울기는 2\displaystyle \sqrt2이다. 매개변수로 나타낸 함수의 미분법에 의하여 곡선 C\displaystyle C 위의 시각 t\displaystyle t에서의 점에서 접하는 접선의 기울기 dydx\displaystyle \frac{dy}{dx}dydx=dydtdxdt=2t222\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{\frac{dy}{dt}}{\frac{dx}{dt}}=\frac{2t-2}{2\sqrt2}따라서 dydx=2\displaystyle \frac{dy}{dx}=\sqrt2일 때, 즉 t=3\displaystyle t=3일 때 곡선 C\displaystyle C 위의 점 P\displaystyle \mathrm P와 직선 \displaystyle \ell 사이의 거리가 최솟값이 된다.t=3\displaystyle t=3일 때의 혜성의 위치는 P(22,6)\displaystyle \mathrm P(2\sqrt2,6)이다. 점 P\displaystyle \mathrm P에서 직선 \displaystyle \ell에 내린 수선을 직선 \displaystyle \ell^{\prime}이라고 할 때 직선 \displaystyle \ell^{\prime}은 기울기가 12\displaystyle -\frac1{\sqrt2}이고 점 P(22,6)\displaystyle \mathrm P(2\sqrt2,6)를 지나는 직선이다.:y=12(x22)+6=12x+8,\displaystyle \ell^{\prime}:y=-\frac1{\sqrt2}(x-2\sqrt2)+6=-\frac1{\sqrt2}x+8,직선 \displaystyle \ell\displaystyle \ell^{\prime}의 교점 Q\displaystyle \mathrm Q의 위치를 일차연립방정식으로 계산하면 Q(32,5)\displaystyle \mathrm Q(3\sqrt2,5)이다.시각 t=0\displaystyle t=0일 때의 우주선의 위치를 (x0,2x01)\displaystyle (x_0,\sqrt2x_0-1)이라고 하면 시각 t\displaystyle t에서의 우주선의 위치를x=2t+x0,y=2t+2x01\displaystyle x=\sqrt2t+x_0,\quad y=2t+\sqrt2x_0-1로 놓을 수 있다.t=3\displaystyle t=3일 때 우주선이 점 Q(32,5)\displaystyle \mathrm Q(3\sqrt2,5)를 지나야 하므로,32=32+x0,5=6+2x01\displaystyle 3\sqrt2=3\sqrt2+x_0,\quad5=6+\sqrt2x_0-1따라서 t=0\displaystyle t=0일 때 x0=0\displaystyle x_0=0이고 우주선의 위치는 (0,1)\displaystyle (0,-1)이다.

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