수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1]

이차곡선 y=x2\displaystyle y = x^{2}의 1사분면 위의 점 P(a,a2)\displaystyle P ( a , a^{2} )에서의 접선을 l\displaystyle l이라고 하자. 점 P\displaystyle P를 지나고 l\displaystyle l과 수직으로 만나는 법선 m\displaystyle m이 y=x2\displaystyle y = x^{2}과 만나는 또 다른 점을 Q\displaystyle Q라고 하자. 다음 물음에 답하여라.

(a) 두 직선 l,m\displaystyle l , m의 방정식과 점 Q\displaystyle Q의 좌표를 구하여라.

(b) 선분PQ\displaystyle PQ의 길이의 최솟값을 구하여라.

(c) 직선 l\displaystyle l과 x\displaystyle x축이 만나는 각을 θ\displaystyle \theta라고 하자. 선분 PQ\displaystyle PQ의 길이가 최소가 될 때 sin⁡(4θ)\displaystyle \sin ( 4 \theta )의 값을 구하여라.

해설강의 준비중

(a) (총 30점)

+10점

직선 l\displaystyle l의 방정식을 구하면 다음과 같다.

l: y−a2=2a(x−a)⇔y=2ax−a2\displaystyle l:\ y-a^2=2a(x-a)\Leftrightarrow y=2ax-a^2

+10점

또한, m: y−a2=−12a(x−a)⇔y=−12ax+a2+12\displaystyle m:\ y-a^2=-\frac1{2a}(x-a)\Leftrightarrow y=-\frac1{2a}x+a^2+\frac12

+10점

점 Q\displaystyle Q를 구하기 위해 y=−12ax+a2+12\displaystyle y = - \frac{{1}}{2 a} x + a^{2} + \frac{{1}}{2}과 y=x2\displaystyle y = x^{2}의 두 방정식을 연립하여 풀면 다음과 같다.x2+12ax−a2−12=0⇔(x−a)(x+a+12a)=0.\displaystyle x^2+\frac1{2a}x-a^2-\frac12=0\Leftrightarrow(x-a)\left(x+a+\frac1{2a}\right)=0.따라서 Q\displaystyle Q의 좌표는 (−a−12a,(a+12a)2)\displaystyle ( - a - \frac{{1}}{2 a} , ( a + \frac{{1}}{2 a} )^{2} )이 된다.

(b) (총 50점)

+10점

선분 PQ\displaystyle PQ의 길이는 다음과 같다.PQ‾=f(a)=(a+a+12a)2+(a2−(a+12a)2)2=4a2+34a2+116a4+3\displaystyle \overline{PQ} = f(a) = \sqrt{( a + a + \frac{{1}}{2 a} )^{2} + ( a^{2} - ( a + \frac{{1}}{2 a} )^{2} )^{2}} = \sqrt{4 a^{2} + \frac{{3}}{4 a^{2}} + \frac{{1}}{16 a^{4}} + 3}

+10점

f(a)\displaystyle f(a)와 f(a)2\displaystyle f(a)^2은 같은 a\displaystyle a에서 최솟값을 갖는다. 따라서 f(a)2\displaystyle f(a)^2의 최솟값을 구하면 된다.

+10점

여기서 g(a)=f(a)2\displaystyle g(a)=f(a)^2이라고 놓으면 g(a)=4a2+34a2+116a4+3\displaystyle g(a)=4a^2+\frac3{4a^2}+\frac1{16a^4}+3이 된다.

최솟값을 구하기 g′(a)\displaystyle g^{\prime}(a)를 계산하면 다음과 같다.g′(a)=8a−32a3−14a5=32a6−6a2−14a5.\displaystyle g^{\prime}(a)=8a-\frac3{2a^3}-\frac1{4a^5}=\frac{32a^6-6a^2-1}{4a^5}.

+10점

여기서 윗 식을 인수분해하면 다음과 같다.g′(a)=32a6−6a2−14a5=(2a2−1)(4a2+1)24a5.\displaystyle g^{\prime}(a)=\frac{32a^6-6a^2-1}{4a^5}=\frac{(2a^2-1)(4a^2+1)^2}{4a^5}.a=22\displaystyle a = \frac{{\sqrt{2}}}{2}에서 g′(a)=0\displaystyle g^{\prime} ( a ) = 0이 되고, g′′(a)=8+92a4+54a6>0\displaystyle g^{\prime \prime} ( a ) = 8 + \frac{{9}}{2 a^{4}} + \frac{{5}}{4 a^{6}} > 0이다.

+10점

따라서 a=22\displaystyle a = \frac{{\sqrt{2}}}{2}에서 최솟값을 가진다. 이때 f(a)\displaystyle f ( a )의 최솟값은 332\displaystyle \frac{{3 \sqrt{3}}}{2}이다.

(c) (총 20점)

+10점

직선 l\displaystyle l의 기울기는 tan⁡θ\displaystyle \tan \theta와 같다. 즉, tan⁡θ=2a=212=2\displaystyle \tan \theta = 2 a = 2 \frac{{1}}{\sqrt{2}} = \sqrt{2}이 된다. 그러므로 삼각함수 성질에 의해, sin⁡θ=23\displaystyle \sin \theta = \frac{{\sqrt{2}}}{\sqrt{3}}이고, cos⁡θ=13\displaystyle \cos \theta = \frac{{1}}{\sqrt{3}}이 된다.

+10점

여기서 sin⁡(4θ)=2sin⁡2θcos⁡2θ\displaystyle \sin(4\theta)=2\sin2\theta\cos2\theta이고 sin⁡2θ=2sin⁡θcos⁡θ\displaystyle \sin2\theta=2\sin\theta\cos\theta이고 cos⁡2θ=1−2sin⁡2θ\displaystyle \cos2\theta=1-2\sin^2\theta이다.

sin⁡2θ=223\displaystyle \sin2\theta=\frac{2\sqrt2}3이고 cos⁡2θ=−13\displaystyle \cos2\theta=-\frac13이므로, sin⁡4θ=−429\displaystyle \sin4\theta=-\frac{4\sqrt2}9이 된다.

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