수리논술, 이게 다다.

자연계열 A 1번

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문제

[문제 1]

그림과 같이 좌표평면에 움직이는 점 A\displaystyle \mathrm{A}가 있다. 시각 t(0<t<π4)\displaystyle t ( 0 < t < \frac{{\pi}}{4} )에서 점 A\displaystyle \mathrm{A}의 좌표는 (2sin⁡t,0)\displaystyle ( 2 \sin t , 0 )이다. 제 2사분면 위의 점 B\displaystyle \mathrm{B}는 직선 y=−x\displaystyle y = - x위에 있고, AB‾=2\displaystyle \overline{\mathrm{AB}} = \sqrt{2}이다. 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 r:1−r\displaystyle r : 1 - r로 내분하는 점을 C\displaystyle \mathrm{C}라 하자. 다음 물음에 답하여라.

직선 y=-x 위의 점 B, x축 위의 점 A와 선분 AB 위의 내분점 C

(a) 시각 t\displaystyle t에서 점 B\displaystyle \mathrm{B}의 좌표를 구하여라.

(b) 시각 t\displaystyle t에서 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 속력을 구하여라.

(c) 시각 t\displaystyle t에서 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 속력이 최소가 되는 r\displaystyle r를 구하여라.

(d) 삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 넓이가 최대가 되는 시각 t\displaystyle t를 구하여라.

해설강의 준비중

(a) (총 20점)

+10점

점 B\displaystyle \mathrm{B}의 좌표를 (b,−b)\displaystyle (b,-b)라 하자(−1<b<0)\displaystyle (-1<b<0). 선분 AB\displaystyle \mathrm{\mathrm{AB}}의 길이가 2\displaystyle \sqrt2이므로

AB‾2=(2sin⁡t−b)2+(−b)2=2b2−4(sin⁡t)b+4(sin⁡t)2=2\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}^{2} = ( 2 \sin t - b )^{2} + ( - b )^{2} = 2 b^{2} - 4 ( \sin t ) b + 4 ( \sin t )^{2} = 2이다.

+10점

이차방정식 b2−2(sin⁡t)b+2sin⁡2t−1=0\displaystyle b^2-2(\sin t)b+2\sin^2t-1=0으로부터

b=sin⁡t±sin⁡2t−(2sin⁡2t−1)=sin⁡t±cos⁡t\displaystyle b = \sin t ± \sqrt{\sin^{2} t - ( 2 \sin^{2} t - 1 )} = \sin t ± \cos t를 얻는다.

b\displaystyle b의 범위가 −1<b<0\displaystyle - 1 < b < 0이므로 위의 둘 중에서 b=sin⁡t−cos⁡t\displaystyle b = \sin t - \cos t가 실제 해이다.

따라서 B\displaystyle \mathrm{B}의 좌표는 (sin⁡t−cos⁡t,−sin⁡t+cos⁡t)\displaystyle ( \sin t - \cos t , - \sin t + \cos t )이다.

(b) (총 30점)

+10점

점 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표를 (x,y)\displaystyle ( x , y )라 하자. 점 C\displaystyle \mathrm{C}가 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 내분점임을 이용하면 다음을 얻는다.

{x=r(sin⁡t−cos⁡t)+(1−r)(2sin⁡t)=(2−r)sin⁡t−rcos⁡ty=r(−sin⁡t+cos⁡t)+(1−r)×0=−rsin⁡t+rcos⁡t\displaystyle \begin{cases}x = r ( \sin t - \cos t ) + ( 1 - r ) ( 2 \sin t ) = ( 2 - r ) \sin t - r \cos t \\ y = r ( - \sin t + \cos t ) + ( 1 - r ) \times 0 = - r \sin t + r \cos t\end{cases}

+10점

이를 시간에 대해 미분해서 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 속도의 x,y\displaystyle x , y성분을 얻는다.

{vx=dxdt=(2−r)cos⁡t+rsin⁡tvy=dydt=−rcos⁡t−rsin⁡t\displaystyle \begin{cases}v_{x} = \frac{{d x}}{d t} = ( 2 - r ) \cos t + r \sin t \\ v_{y} = \frac{{d y}}{d t} = - r \cos t - r \sin t\end{cases}

+10점

따라서 속력의 제곱은v2=vx2+vy2=((2−r)2+r2)cos⁡2t+2(r(2−r)+r2)sin⁡tcos⁡t+(r2+r2)sin⁡2t\displaystyle v^{2} = v_{x}^{2} + v_{y}^{2} = ( ( 2 - r )^{2} + r^{2} ) \cos^{2} t + 2 ( r ( 2 - r ) + r^{2} ) \sin t \cos t + ( r^{2} + r^{2} ) \sin^{2} t이다. 이를 간단히 정리하면v2=(4−4r+2r2)cos⁡2t+2r2sin⁡2t+4rsin⁡tcos⁡t=2r2+4cos⁡t(sin⁡t−cos⁡t)r+4cos⁡2t\displaystyle \begin{aligned}v^{2} &= ( 4 - 4 r + 2 r^{2} ) \cos^{2} t + 2 r^{2} \sin^{2} t + 4 r \sin t \cos t\\&= 2 r^{2} + 4 \cos t ( \sin t - \cos t ) r + 4 \cos^{2} t\end{aligned}

따라서 v=2r2+4cos⁡t(sin⁡t−cos⁡t)r+4cos⁡2t\displaystyle v = \sqrt{2 r^{2} + 4 \cos t ( \sin t - \cos t ) r + 4 \cos^{2} t}이다.

(c) (총 20점)

+10점

속력 v\displaystyle v는 음이 아니므로, v2\displaystyle v^{2}이 최소일 때 v\displaystyle v 역시 최소가 된다.

앞의 문항에서 구한 v2\displaystyle v^{2}은 r\displaystyle r의 이차함수이다. 따라서 이차함수가 나타내는 포물선의 꼭짓점에서 v2\displaystyle v^{2}은 최소가 된다.

+10점

이차함수의 꼭짓점의 위치 r\displaystyle r는 dv2dr=4r+4cos⁡t(sin⁡t−cos⁡t)=0\displaystyle \frac{{d v^{2}}}{d r} = 4 r + 4 \cos t ( \sin t - \cos t ) = 0을 풀어서 얻을 수 있다.

r=cos⁡t(cos⁡t−sin⁡t)\displaystyle r = \cos t ( \cos t - \sin t )

(d) (총 30점)

+10점

삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 밑변의 길이는 2sin⁡t\displaystyle 2 \sin t이고 높이는 −b=cos⁡t−sin⁡t\displaystyle - b = \cos t - \sin t이다.

따라서 삼각형의 넓이는 S=12×(2sin⁡t)×(cos⁡t−sin⁡t)=sin⁡t(cos⁡t−sin⁡t)\displaystyle S = \frac{{1}}{2} \times ( 2 \sin t ) \times ( \cos t - \sin t ) = \sin t ( \cos t - \sin t )이다.

+10점

넓이가 최대가 되는 시각을 구하기 위하여 dSdt=0\displaystyle \frac{{d S}}{d t} = 0을 만족하는 시각 t\displaystyle t를 구하자.dSdt=cos⁡t(cos⁡t−sin⁡t)+sin⁡t(−sin⁡t−cos⁡t)=cos⁡2t−sin⁡2t−2sin⁡tcos⁡t=cos⁡2t−sin⁡2t\displaystyle \begin{aligned}\frac{{d S}}{d t} &= \cos t ( \cos t - \sin t ) + \sin t ( - \sin t - \cos t )\\&= \cos^{2} t - \sin^{2} t - 2 \sin t \cos t = \cos 2 t - \sin 2 t\end{aligned}

+10점

코사인 함수와 사인 함수의 값이 같은 각도는 nπ+π4(n=0,±1,±2,⋯ )\displaystyle n \pi + \frac{{\pi}}{4} ( n = 0 , ± 1 , ± 2 , \cdots )이다.

따라서 2t=nπ+π4\displaystyle 2 t = n \pi + \frac{{\pi}}{4}이어야 하고, 0<t<π4\displaystyle 0 < t < \frac{{\pi}}{4}구간의 시각은 t=π8\displaystyle t = \frac{{\pi}}{8}이다.

이 시각에서 최대인지 혹은 최소인지를 확인하기 위하여 이계도함수를 계산한다.

d2Sdt2∣t=π/8=−2(sin⁡2t+cos⁡2t)∣t=π/8=−22<0\displaystyle \left.\frac{d^2S}{dt^2}\right|_{t=\pi/8}=-\left.2(\sin2t+\cos2t)\right|_{t=\pi/8}=-2\sqrt2<0

그러므로 삼각형의 면적은 t=π8\displaystyle t = \frac{{\pi}}{8}에서 최대가 된다.

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