수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

[문제 3] (총 100점)

행렬 (sinθ1sin2θsinθ)\displaystyle \begin{pmatrix}\sin\theta&1\\\sin^2\theta&\sin\theta\end{pmatrix}로 나타내어지는 일차변환에 의하여 점 (1,1)\displaystyle (1,1)이 영역 {(x,y)(x1)2+(y1)21}\displaystyle \{(x,y)\mid(x-1)^2+(y-1)^2\le1\}의 점으로 옮겨질 때 다음 물음에 답하여라.

(a) sinθ<0.9\displaystyle \sin \theta < 0.9임을 보여라. (50점)

(b) 174cos2θsinθ20sinθ9cos2θ\displaystyle 17 - 4 \cos 2 \theta \sin \theta - 20 \sin \theta - 9 \cos 2 \theta의 최댓값을 구하여라. (50점)

해설강의 준비중

(a)일차변환에 의하여 점 (1,1)\displaystyle (1,1)은 점 (sinθ+1,sin2θ+sinθ)\displaystyle (\sin\theta+1,\sin^2\theta+\sin\theta)으로 옮겨지고 이 점은 부등식 (x1)2+(y1)21\displaystyle (x-1)^2+(y-1)^2\le1을 만족하므로(sinθ+11)2+(sin2θ+sinθ1)2=sin4θ+2sin3θ2sinθ+11\displaystyle (\sin\theta+1-1)^2+(\sin^2\theta+\sin\theta-1)^2=\sin^4\theta+2\sin^3\theta-2\sin\theta+1\le1이다. t=sinθ\displaystyle t=\sin\theta로 놓으면 1t1\displaystyle -1\le t\le1이고, 위 부등식은t4+2t32t0\displaystyle t^4+2t^3-2t\le0이 된다. f(t)=t4+2t32t\displaystyle f(t)=t^4+2t^3-2t라 놓으면 f(t)=4t3+6t22=2(t+1)2(2t1)\displaystyle f^{\prime}(t)=4t^3+6t^2-2=2(t+1)^2(2t-1)이므로 f\displaystyle f의 극댓값은 존재하지 않고 f\displaystyle f의 극솟값은 t=12\displaystyle t=\frac12일 때 1116\displaystyle -\frac{11}{16}이다. 이 함수의 그래프의 개형을 그려보면 방정식 f(t)=0\displaystyle f(t)=0은 양의 근을 오직 1개만 갖는 것을 알 수 있다. 이 양의 근을 α\displaystyle \alpha라 하자. 그러면 부등식 f(t)0\displaystyle f(t)\le0의 해는 0tα\displaystyle 0\le t\le\alpha이다. 이때 f(12)=1116<0\displaystyle f\left(\frac12\right)=-\frac{11}{16}<0이고 f(0.9)=0.3141>0\displaystyle f(0.9)=0.3141>0이므로 중간값의 정리에 의하여 0.5<α<0.9\displaystyle 0.5<\alpha<0.9임을 알 수 있다.따라서 0t=sinθα<0.9\displaystyle 0\le t=\sin\theta\le\alpha<0.9이다.

(b)삼각함수 배각의 공식을 이용하면174cos2θsinθ20sinθ9cos2θ=174(12sin2θ)sinθ20sinθ9(12sin2θ)=8sin3θ+18sin2θ24sinθ+8\displaystyle \begin{aligned}17-4\cos2\theta\sin\theta-20\sin\theta-9\cos2\theta&=17-4(1-2\sin^2\theta)\sin\theta-20\sin\theta-9(1-2\sin^2\theta)\\&=8\sin^3\theta+18\sin^2\theta-24\sin\theta+8\end{aligned}이 된다. t=sinθ\displaystyle t = \sin \theta로 놓고, g(t)=8t3+18t224t+8\displaystyle g ( t ) = 8 t^{3} + 18 t^{2} - 24 t + 8라 하자.g(t)=24t2+36t24=12(2t1)(t+2)\displaystyle g^{\prime}(t)=24t^2+36t-24=12(2t-1)(t+2)이므로 함수 g\displaystyle gt=12\displaystyle t=\frac12일 때 극솟값을 갖는다. 0tα\displaystyle 0\le t\le\alpha이므로 g(t)\displaystyle g(t)t=0\displaystyle t=0 또는 t=α\displaystyle t=\alpha에서 최댓값을 갖는다. g(0)=8\displaystyle g(0)=8이고 0.5<t<0.9\displaystyle 0.5<t<0.9에서 g(t)\displaystyle g(t)는 증가하며 0.5<α<0.9\displaystyle 0.5<\alpha<0.9이므로 g(α)<g(0.9)=6.812<8\displaystyle g(\alpha)<g(0.9)=6.812<8이다. 그러므로 g(t)\displaystyle g(t)t=0\displaystyle t=0일 때, 최댓값 8을 갖는다.따라서 174cos2θsinθ20sinθ9cos2θ\displaystyle 17 - 4 \cos 2 \theta \sin \theta - 20 \sin \theta - 9 \cos 2 \theta의 최댓값은 8이다.

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