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문제

【문제 1】아래 제시문을 읽고 문제에 답하시오. (30점)

(가) 좌표평면 위에서 x,y\displaystyle x,y에 대한 어떤 부등식을 만족하는 점 (x,y)\displaystyle (x,y) 전체를 그 부등식의 영역이라고 한다. 예를 들어 부등식 y>x+1\displaystyle y>x+1의 영역은 직선 y=x+1\displaystyle y=x+1의 윗부분이고 부등식 y<x+1\displaystyle y<x+1의 영역은 직선 y=x+1\displaystyle y=x+1의 아랫부분이다.

(나) 각의 크기를 재는 단위인 도(∘\displaystyle {}^{\circ})는 원주를 360등분한 것이다. 360등분이라는 인위적인 분할을 사용한 도(∘\displaystyle {}^{\circ})를 대신할 더 자연스러운 단위를 정하려는 시도가 여러 가지 있었는데 그 가운데 성공적인 단위가 라디안이었다.

(문제 1-1) 연수네 반 학생들은 이웃돕기 성금마련을 위해 초콜릿 560개, 비스켓 600개를 구입하여 A, B 두 종류의 봉지에 넣어 판매하기로 하였다. 각 봉지에 들어가는 초콜릿과 비스켓의 개수와 각 봉지의 판매 가격은 다음 표와 같다. 총 판매금액을 최대로 하려고 할 때, A 봉지, B 봉지의 개수와 총 판매금액을 구하시오.

봉지초콜릿비스켓판매가격(원)
A48900
B741200

(문제 1-2) 호도법이란 무엇인가 설명하고, 호도법을 이용하여 반지름의 길이가 r\displaystyle r, 중심각의 크기가 θ\displaystyle \theta인 부채꼴의 호의 길이 l\displaystyle l과 넓이 S\displaystyle S를 구하시오. 그리고 넓이가 20cm2\displaystyle 20\mathrm{cm}^2인 부채꼴의 둘레의 길이의 최솟값을 구하고, 이때의 중심각의 크기를 호도법으로 나타내시오.

[그림 1] 반지름 r, 호의 길이 l, 중심각 θ인 부채꼴
해설강의 준비중

(문제 1-1)A 봉지와 B 봉지의 개수를 각각 x,y\displaystyle x,y라고 하면 x≥0, y≥0\displaystyle x\geq0,\ y\geq0,초콜릿이 560개 있으므로 4x+7y≤560\displaystyle 4x+7y\leq560, 비스켓이 600개 있으므로 8x+4y≤600\displaystyle 8x+4y\leq600를 얻고,두 방정식 4x+7y=560, 8x+4y=600\displaystyle 4x+7y=560,\ 8x+4y=600을 연립으로 풀면 (x,y)=(49,52)\displaystyle (x,y)=(49,52)이고, 위의 네 부등식을 모두 만족하는 영역은 오른쪽 그림의 색칠한 부분과 같다.

네 부등식의 공통 영역과 목적함수 직선

A 봉지와 B 봉지의 판매가격이 각각 900원, 1200원이므로 총 판매금액은 900x+1200y\displaystyle 900x+1200y이다.

900x+1200y=k\displaystyle 900x+1200y=k (k\displaystyle k는 상수)로 놓으면 y=−34x+k1200\displaystyle y=-\frac34x+\frac{k}{1200} ----(1)

k\displaystyle k의 값은 직선 (1)이 점(49,52)\displaystyle (49,52)를 지날 때 최대이다.따라서 판매금액을 최대로 하려고 할 때, A 봉지는 49개, B 봉지는 52개,총 판매금액은 900×49+1,200×52=106,500\displaystyle 900\times49+1,200\times52=106,500원이다.

(문제 1-2)(i) 반지름의 길이와 호의 길이가 같은 부채꼴의 중심각의 크기는 반지름의 길이에 관계없이 일정하다. 이와 같이 반지름의 길이와 호의 길이가 같은 부채꼴의 중심각의 크기를 1라디안이라 하고, 라디안을 단위로 각의 크기를 나타내는 방법을 호도법이라고 한다.

(ii) 반지름이 r\displaystyle r인 원과 오른쪽 부채꼴에서 비례식을 세우면2πr:l=2π:θ ⇒ l=rθ\displaystyle 2\pi r:l=2\pi:\theta\ \Rightarrow\ l=r\thetaπr2:S=2π:θ ⇒ S=r2θ2=rl2\displaystyle \pi r^2:S=2\pi:\theta\ \Rightarrow\ S=\frac{r^2\theta}{2}=\frac{rl}{2}

(iii) 넓이가 20인 부채꼴은20=S=rl2 ⇒ l=40r\displaystyle 20=S=\frac{rl}{2}\ \Rightarrow\ l=\frac{40}{r}부채꼴의 둘레 L=2r+l=2r+40r≥2(2r)(40r)=280=85\displaystyle L=2r+l=2r+\frac{40}{r}\geq2\sqrt{(2r)\left(\frac{40}{r}\right)}=2\sqrt{80}=8\sqrt5이므로부채꼴의 둘레의 최솟값은 L=85\displaystyle L=8\sqrt5이다.이 때, l=85−2r\displaystyle l=8\sqrt5-2r이므로20=S=12r(85−2r)=45−r2 ⇒ r2−45r+20=(r−25)2=0\displaystyle 20=S=\frac12r(8\sqrt5-2r)=4\sqrt5-r^2\ \Rightarrow\ r^2-4\sqrt5r+20=(r-2\sqrt5)^2=0Correction. 45−r2\displaystyle 4\sqrt5-r^2에서 45\displaystyle 4\sqrt5 뒤에 r\displaystyle r이 빠졌다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서 r=25, l=45\displaystyle r=2\sqrt5,\ l=4\sqrt5일 때 부채꼴의 둘레는 최솟값 L=85\displaystyle L=8\sqrt5을 갖고 이 때, 중심각 θ\displaystyle \theta는 θ=lr=2\displaystyle \theta=\frac{l}{r}=2라디안이다.

[문제 1-1]4점: 부등식세우기4점: 영역구하기3점: 판매금액 식 표현하기4점: 답구하기

[문제 1-2]5점: 호도법설명하기4점: 호의 길이 l\displaystyle l과 넓이 S\displaystyle S를 구하기6점: 부채꼴의 둘레의 최솟값과 중심각 구하기

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