수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 2번

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문제

[문제 2] (95점)

세 점 P,Q,R\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q},\mathrm{R}은 한 변의 길이가 1인 정삼각형의 세 변 위를 시계 반대 방향으로 움직인다. 세 점 P,Q,R\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q},\mathrm{R}은 시각 t=0\displaystyle t=0일 때 한 꼭짓점에서 동시에 출발하며 순서대로 1,2,2\displaystyle 1,\sqrt{2},2의 일정한 속력으로 움직인다. 시각 t=2\displaystyle t=\sqrt{2}에서 시각 t=2\displaystyle t=2까지 세 점 P,Q,R\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q},\mathrm{R}이 움직일 때, 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}의 넓이가 최대가 되는 시각과 최소가 되는 시각을 각각 구하여라.

해설강의 준비중
+60점 · 문제의 조건에서 경우를 두 개로 나누고 각 경우에 사인법칙을 사용하여 면적을 함수로 표현한다.Correction. 채점기준의 ‘사인법칙’은 두 변과 그 끼인각을 이용한 삼각형의 넓이 공식을 가리킨다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

2≤t≤2\displaystyle \sqrt{2}\le t\le2에 대하여 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}의 넓이를 S(t)\displaystyle S(t)라 하자. t=32\displaystyle t=\frac{3}{2}일 때 점 R\displaystyle \mathrm{R}이 삼각형의 한 꼭짓점에 있으므로 2≤t≤32\displaystyle \sqrt{2}\le t\le\frac{3}{2}와 32≤t≤2\displaystyle \frac{3}{2}\le t\le2로 나누어 S(t)\displaystyle S(t)를 구한다.

(i) 2≤t≤32\displaystyle \sqrt{2}\le t\le\frac{3}{2}인 경우2≤t≤32\displaystyle \sqrt{2}\le t\le\frac{3}{2}인 경우 세 점 P,Q,R\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q},\mathrm{R}은 아래의 그림처럼 위치하게 된다. 따라서 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}의 넓이는S(t)=12(2t−2t)(2−t)sin⁡π3=3(2−2)4(−t2+2t)\displaystyle S(t)=\frac{1}{2}(2t-\sqrt{2}t)(2-t)\sin\frac{\pi}{3}=\frac{\sqrt{3}(2-\sqrt{2})}{4}(-t^{2}+2t)이다. 따라서 주어진 구간에서 S(t)\displaystyle S(t)는 감소한다.

정삼각형의 세 변 위에 점 P, Q, R이 놓인 그림. 점 R과 점 Q는 왼쪽 변 위에, 점 P는 오른쪽 변 위에 있고 세 점을 이은 삼각형이 붉게 칠해져 있다. 아래에 (i) √2 ≤ t ≤ 3/2이라는 설명이 붙어 있다.

(ii) 32≤t≤2\displaystyle \frac{3}{2}\le t\le2인 경우32≤t≤2\displaystyle \frac{3}{2}\le t\le2인 경우 세 점 P,Q,R\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q},\mathrm{R}이 아래의 그림처럼 위치하고, 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}의 넓이는S(t)=12sin⁡π3−12(2t−3)(3−2t)sin⁡π3−12(4−2t)(t−1)sin⁡π3−12(2t−2)(2−t)sin⁡π3=34{(2+32)t2−(14+52)t+18}\displaystyle \begin{aligned} S(t) &=\frac{1}{2}\sin\frac{\pi}{3}-\frac{1}{2}(2t-3)(3-\sqrt{2}t)\sin\frac{\pi}{3}-\frac{1}{2}(4-2t)(t-1)\sin\frac{\pi}{3}-\frac{1}{2}(\sqrt{2}t-2)(2-t)\sin\frac{\pi}{3} \\ &=\frac{\sqrt{3}}{4}\{(2+3\sqrt{2})t^{2}-(14+5\sqrt{2})t+18\} \end{aligned}이다.

+35점 · 이차함수의 성질을 사용하여 주어진 범위에서 최댓값과 최솟값을 구한다.

이차함수 f(t)=34{(2+32)t2−(14+52)t+18}\displaystyle f(t)=\frac{\sqrt{3}}{4}\{(2+3\sqrt{2})t^{2}-(14+5\sqrt{2})t+18\}는 t=t0=14+522(2+32)=1+16214\displaystyle t=t_{0}=\frac{14+5\sqrt{2}}{2(2+3\sqrt{2})}=\frac{1+16\sqrt{2}}{14}일 때 최솟값을 가진다. 32<t0<2\displaystyle \frac{3}{2}<t_{0}<2이므로 S(t)\displaystyle S(t)는 32≤t≤t0\displaystyle \frac{3}{2}\le t\le t_{0}에서 감소하고 t0≤t≤2\displaystyle t_{0}\le t\le2에서 증가한다.

정삼각형의 세 변 위에 점 P, Q, R이 놓인 그림. 점 P는 오른쪽 변 위, 점 Q는 왼쪽 변 위, 점 R은 밑변 위에 있고 세 점을 이은 삼각형이 붉게 칠해져 있다. 아래에 (ii) 3/2 ≤ t ≤ 2라는 설명이 붙어 있다.

(i)과 (ii)에 의하여 S(t)\displaystyle S(t)는 2≤t≤2\displaystyle \sqrt{2}\le t\le2에서 t=t0\displaystyle t=t_{0}일 때 최솟값을 갖고 t=2\displaystyle t=\sqrt{2} 또는 2\displaystyle 2일 때 최댓값을 갖는다.S(2)−S(2)=32(2−1)−32(32−4)=32(3−22)>0\displaystyle S(2)-S(\sqrt{2})=\frac{\sqrt{3}}{2}(\sqrt{2}-1)-\frac{\sqrt{3}}{2}(3\sqrt{2}-4)=\frac{\sqrt{3}}{2}(3-2\sqrt{2})>0이므로 S(t)\displaystyle S(t)가 최대가 되는 시각은 2\displaystyle 2이고 최소가 되는 시각은 1+16214\displaystyle \frac{1+16\sqrt{2}}{14}이다.

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