수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 3번

문제

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해설강의 준비중

s=12(a+b+c)\displaystyle s=\frac{1}{2}(a+b+c)ABC\displaystyle \triangle ABC의 내접원의 반지름의 길이 r\displaystyle r를 이용하면

APM\displaystyle \triangle APM의 넓이는

12sinAAPAM=ABC의 넓이bcAPAM=srbc12cAM=sr2bAM\displaystyle \frac{1}{2}\sin A\,\overline{AP}\,\overline{AM}=\frac{\triangle ABC\text{의 넓이}}{bc}\overline{AP}\,\overline{AM}=\frac{sr}{bc}\frac{1}{2}c\overline{AM}=\frac{sr}{2b}\overline{AM} ---①

이고

APM의 넓이=APK의 넓이+AKM의 넓이=12APr+12AMr—②=1212cr+12AMr\displaystyle \begin{aligned}\triangle APM\text{의 넓이}&=\triangle APK\text{의 넓이}+\triangle AKM\text{의 넓이}\\&=\frac{1}{2}\overline{AP}r+\frac{1}{2}\overline{AM}r\qquad\text{---②}\\&=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2}cr+\frac{1}{2}\overline{AM}r\end{aligned}

이므로 다음 식이 성립한다.

sr2bAM=1212cr+12AMr\displaystyle \frac{sr}{2b}\overline{AM}=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2}cr+\frac{1}{2}\overline{AM}r 이 식을 정리하면,

AM=bcab+c\displaystyle \overline{AM}=\frac{bc}{a-b+c} ---③ 이다.

ANQ\displaystyle \triangle ANQ에 대하여 APM\displaystyle \triangle APM와 마찬가지로 ①과 ②의 과정을 따르면 다음이 성립한다.

AN=bca+bc\displaystyle \overline{AN}=\frac{bc}{a+b-c} ---④

조건 (가): (ANM\displaystyle \triangle ANM의 넓이) < (ABC\displaystyle \triangle ABC의 넓이)로부터 ANAM<bc\displaystyle \overline{AN}\,\overline{AM}<bc 이고

이 식에 ③과 ④를 대입하여 정리하면 a2>b2+c2bc\displaystyle a^2>b^2+c^2-bc 이다.

이 식에 조건 (나) bc\displaystyle b\le c 를 적용하면 다음이 성립한다.

a>b\displaystyle a>b ---⑤

f(x)=5x44bx3+6ax2cxa\displaystyle f(x)=5x^4-4bx^3+6ax^2-cx-a라고 하자.

식 ⑤와 조건 (다)로부터 얻은 부등식 0<b<2R=5\displaystyle 0<b<2R=5를 적용하면

f(x)=60x224bx+12a=12(5x22bx+a),\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=60x^2-24bx+12a=12(5x^2-2bx+a),

b25a<b(b5)<0\displaystyle b^2-5a<b(b-5)<0

이므로 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)>0 이다.

따라서 3차 함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 증가함수이고

4차 방정식 5x44bx3+6ax2cxa=0\displaystyle 5x^4-4bx^3+6ax^2-cx-a=0은 허근을 가진다.

문항배점채점기준
3-(1)30점선분 AM\displaystyle AMAN\displaystyle AN의 길이를 정확히 계산하고 논리전개과정이 정확한 경우
3-(1)25점논리전개과정은 정확하지만 계산실수에 의해 결론이 틀린 경우
3-(1)20점선분 AM\displaystyle AM의 길이만 구했거나 선분 AM\displaystyle AM과 선분 AN\displaystyle AN의 길이를 모두 구하였지만 선분 AM\displaystyle AM의 길이가 틀려서 선분 AN\displaystyle AN의 길이도 틀렸지만 과정이 정확한 경우
3-(1)10점모범답안에서의 ②번식을 유도하고 ①번식의 유도가 틀려서 결론이 틀린 경우
3-(2)10점f(x)=0\displaystyle f(x)=0가 네 개의 실근을 가져야하는 필요조건을 구한 경우
3-(2)20점주어진 조건을 이용하여 a>bc, b<5\displaystyle a>b\ge c,\ b<5를 정확히 유도한 경우

Correction. 채점기준의 bc\displaystyle b\ge c는 문제의 조건 bc\displaystyle b\le c와 반대로 적혀 있다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

3-(2)40점마지막으로 f(x)>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)>0가 모든 x\displaystyle x에 대해 성립함을 유도한 조건들을 이용하여 보이고 답을 완성한 경우

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