수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 4번

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타원의 중심 O를 원점으로 둔 좌표평면. 꼭짓점 A가 y축 위에 있고 B(−1, −b), C(1, −b)인 정삼각형 ABC 안에 장축이 x축과 나란한 타원이 세 변에 접해 있다. 두 접점 P, Q를 점선이 잇고, 세 점 P·O·Q를 지나는 위로 열린 포물선이 그려져 있다.
+40점 · 접하는 조건을 이용하여 타원과 접점의 좌표를 구한다.

장축의 길이가 2\displaystyle \sqrt{2}이므로 a=22\displaystyle a=\dfrac{\sqrt{2}}{2}, 단축의 길이를 2b\displaystyle 2b, 타원의 중심을 원점으로 하여 평면좌표를 도입하면 O(0,0)\displaystyle \mathrm{O}(0,0), A(0,3b)\displaystyle \mathrm{A}(0,\sqrt{3}-b), B(1,b)\displaystyle \mathrm{B}(-1,-b), C(1,b)\displaystyle \mathrm{C}(1,-b)이고 타원의 방정식은 x2a2+y2b2=1\displaystyle \dfrac{x^{2}}{a^{2}}+\dfrac{y^{2}}{b^{2}}=1이다.접점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표를 (x1,y1)\displaystyle (x_{1},y_{1})이라 하면 Q\displaystyle \mathrm{Q}에서의 접선의 방정식 x1xa2+y1yb2=1\displaystyle \dfrac{x_{1}x}{a^{2}}+\dfrac{y_{1}y}{b^{2}}=1은 직선 AC\displaystyle \mathrm{AC}의 방정식 y=3x+3b\displaystyle y=-\sqrt{3}x+\sqrt{3}-b와 일치한다.그러므로 x1=3a23b=32(3b)\displaystyle x_{1}=\dfrac{\sqrt{3}a^{2}}{\sqrt{3}-b}=\dfrac{\sqrt{3}}{2(\sqrt{3}-b)}, y1=b23b\displaystyle y_{1}=\dfrac{b^{2}}{\sqrt{3}-b}이다.Q\displaystyle \mathrm{Q}는 타원 위의 점이므로 x12a2+y12b2=1\displaystyle \dfrac{x_{1}^{2}}{a^{2}}+\dfrac{y_{1}^{2}}{b^{2}}=1이다.따라서, b=34\displaystyle b=\dfrac{\sqrt{3}}{4}이다.이때, x1=23\displaystyle x_{1}=\dfrac{2}{3}, y1=312\displaystyle y_{1}=\dfrac{\sqrt{3}}{12}이다.도형이 y\displaystyle y축에 대하여 대칭이므로 P(23,312)\displaystyle \mathrm{P}\left(-\dfrac{2}{3},\dfrac{\sqrt{3}}{12}\right)이다.

+20점 · 세 점을 지나는 포물선의 방정식을 구한다.

세 점 P\displaystyle \mathrm{P}, O\displaystyle \mathrm{O}, Q\displaystyle \mathrm{Q}를 지나는 포물선의 방정식은 y=3316x2\displaystyle y=\dfrac{3\sqrt{3}}{16}x^{2}이다.

+40점 · 포물선이 나눈 영역의 넓이를 올바르게 구한다.

포물선 위에 있는 삼각형 내부의 넓이 S\displaystyle S는 삼각형 APQ\displaystyle \mathrm{APQ}의 넓이 12×43×233=439\displaystyle \dfrac{1}{2}\times\dfrac{4}{3}\times\dfrac{2\sqrt{3}}{3}=\dfrac{4\sqrt{3}}{9}과 직선 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}와 포물선으로 둘러싸인 영역의 넓이 2323(3123316x2)dx=2327\displaystyle \int_{-\frac{2}{3}}^{\frac{2}{3}}\left(\dfrac{\sqrt{3}}{12}-\dfrac{3\sqrt{3}}{16}x^{2}\right)dx=\dfrac{2\sqrt{3}}{27}의 합이다.그러므로 S=14327\displaystyle S=\dfrac{14\sqrt{3}}{27}이다.

+15점 · 두 영역의 넓이를 비교하여 작은 값을 구한다.

삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이는 3\displaystyle \sqrt{3}이므로 포물선 아래에 있는 삼각형 내부의 넓이는 3S=13327\displaystyle \sqrt{3}-S=\dfrac{13\sqrt{3}}{27}이다.그러므로 두 영역의 넓이 중에서 작은 값은 13327\displaystyle \dfrac{13\sqrt{3}}{27}이다.

다른 타당한 풀이도 해당 단계의 논증과 계산이 옳으면 같은 배점을 인정한다.

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