수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 4번

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문제

아래 논제에 답하시오. (25점)

좌표평면에서 점 P\displaystyle \mathrm P가 다음 조건을 만족시키며 움직인다고 하자.

점 P\displaystyle \mathrm P는 원점 O\displaystyle \mathrm O를 출발하여 함수 y=3−x4\displaystyle y=3-x^4의 그래프의 한 점 Q\displaystyle \mathrm Q까지 선분 OQ\displaystyle \mathrm{OQ}를 따라 일정한 속력 a\displaystyle a로 움직인 후, 직선 ℓ:y=−3x+10\displaystyle \ell:y=-3x+10의 한 점 R\displaystyle \mathrm R까지 선분 QR\displaystyle \mathrm{QR}를 따라 속력 1로 움직인다. (단, a\displaystyle a는 양수)

원점에서 곡선 위의 Q를 거쳐 직선 위의 R로 이동하는 그림

점 P\displaystyle \mathrm P가 직선 ℓ\displaystyle \ell 위의 한 점 R\displaystyle \mathrm R까지 가장 빨리 도착할 때 점 Q\displaystyle \mathrm Q의 좌표는 (1,2)\displaystyle (1,2)라고 하자. 이때 다음 문항에 답하시오.

(1) θ=∠OQR\displaystyle \theta=\angle\mathrm{OQR}일 때 tan⁡θ\displaystyle \tan\theta의 값을 구하시오. (단, 0≤θ≤π\displaystyle 0\le\theta\le\pi)

(2) a\displaystyle a를 구하시오.

해설강의 준비중
+10점 · 삼각함수의 덧셈정리를 이용하여 사잇각의 탄젠트를 올바르게 계산한다.

(1) 점 P\displaystyle \mathrm P가 문제의 조건을 만족시키면서 직선 ℓ:y=−3x+10\displaystyle \ell:y=-3x+10 위의 점까지 가장 빨리 도착하기 위해서는 점 Q\displaystyle \mathrm Q와 R\displaystyle \mathrm R을 잇는 직선이 직선 ℓ\displaystyle \ell과 수직이어야 한다. 이때 점 Q\displaystyle \mathrm Q와 R\displaystyle \mathrm R을 잇는 직선의 기울기는 13\displaystyle \frac13이고 점 O\displaystyle \mathrm O와 Q\displaystyle \mathrm Q를 잇는 직선의 기울기는 2이다.직선 ℓ\displaystyle \ell과 x\displaystyle x축의 교점을 T\displaystyle \mathrm T라고 하고 θ1=∠QOT\displaystyle \theta_1=\angle\mathrm{QOT}라고 하자. 또한 점 Q\displaystyle \mathrm Q를 지나고 x\displaystyle x축과 평행한 직선이 직선 ℓ\displaystyle \ell과 만나는 점을 S\displaystyle \mathrm S라고 하고 θ2=∠RQS\displaystyle \theta_2=\angle\mathrm{RQS}라고 하자. 그러면tan⁡θ1=2,tan⁡θ2=13,tan⁡θ=tan⁡(π−θ1+θ2)=tan⁡(θ2−θ1)\displaystyle \tan\theta_1=2,\quad\tan\theta_2=\frac13,\quad\tan\theta=\tan(\pi-\theta_1+\theta_2)=\tan(\theta_2-\theta_1)

각 QOT와 각 RQS를 나타낸 풀이 그림

삼각함수의 덧셈정리에 의하여tan⁡(θ2−θ1)=tan⁡θ2−tan⁡θ11+tan⁡θ2tan⁡θ1=13−21+23=−1\displaystyle \tan(\theta_2-\theta_1)=\frac{\tan\theta_2-\tan\theta_1}{1+\tan\theta_2\tan\theta_1}=\frac{\frac13-2}{1+\frac23}=-1그러므로 tan⁡θ=−1\displaystyle \tan\theta=-1이다.

+15점 · 점 P\displaystyle \mathrm P가 움직이는 시간을 함수로 나타내고 도함수를 계산한 후 x=1\displaystyle x=1에서 함숫값이 극값이 되는 조건으로부터 속력을 계산한다.

(2) 원점과 함수 y=3−x4\displaystyle y=3-x^4의 그래프 위의 점 (x,3−x4)\displaystyle (x,3-x^4)을 잇는 선분의 길이는 x2+x8−6x4+9\displaystyle \sqrt{x^2+x^8-6x^4+9}이고, 점 (x,3−x4)\displaystyle (x,3-x^4)과 직선 ℓ:y=−3x+10\displaystyle \ell:y=-3x+10 사이의 거리는 ∣3x+(3−x4)−10∣10\displaystyle \frac{|3x+(3-x^4)-10|}{\sqrt{10}}이다. 그러므로 점 P\displaystyle \mathrm P가 원점을 출발하여 점 Q(x,3−x4)\displaystyle \mathrm Q(x,3-x^4)까지 움직인 후 Q\displaystyle \mathrm Q에서 직선 ℓ\displaystyle \ell 위의 점 R\displaystyle \mathrm R에 내린 수선을 따라 움직일 때 점 R\displaystyle \mathrm R에 도착하기까지 걸리는 시간은 다음과 같다.t(x)=x2+x8−6x4+9a+∣3x+(3−x4)−10∣10\displaystyle t(x)=\frac{\sqrt{x^2+x^8-6x^4+9}}a+\frac{|3x+(3-x^4)-10|}{\sqrt{10}}문제의 그림으로부터 3x+(3−x4)−10<0\displaystyle 3x+(3-x^4)-10<0이므로t(x)=x2+x8−6x4+9a−3x+(3−x4)−1010\displaystyle t(x)=\frac{\sqrt{x^2+x^8-6x^4+9}}a-\frac{3x+(3-x^4)-10}{\sqrt{10}}이고 함수 t(x)\displaystyle t(x)는 미분가능하다.t(x)\displaystyle t(x)는 x=1\displaystyle x=1일 때 최솟값을 가지므로 t′(1)=0\displaystyle t^{\prime}(1)=0이다. 함수 t(x)\displaystyle t(x)의 도함수를 계산하면t′(x)=8x7−24x3+2x2ax8−6x4+x2+9+4x3−310,t′(1)=−142a5+110=0\displaystyle \begin{aligned}t^{\prime}(x)&=\frac{8x^7-24x^3+2x}{2a\sqrt{x^8-6x^4+x^2+9}}+\frac{4x^3-3}{\sqrt{10}},\\t^{\prime}(1)&=\frac{-14}{2a\sqrt5}+\frac1{\sqrt{10}}=0\end{aligned}따라서 a=72\displaystyle a=7\sqrt2이다.

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