수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 2번

문제

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해설강의 준비중
+10점 · (상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우 (중상) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우 (중하) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우 (하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

(문제 2-1)(정답) π(62)\displaystyle \pi(\sqrt6-\sqrt2)(풀이)α+β=5π/12\displaystyle \alpha+\beta=5\pi/12이므로 ACB=φ=7π/12\displaystyle \angle ACB=\varphi=7\pi/12이다. 이는 원주각이 7π/12\displaystyle 7\pi/12인 원으로 볼 수 있으므로 점 C\displaystyle C는 삼각형 ABC\displaystyle ABC의 외접원 위의 점이 된다. α\displaystyle \alpha가 최소값인 π/12\displaystyle \pi/12일 때 C\displaystyle C의 위치를 C1\displaystyle C_1, β\displaystyle \beta가 최소값 π/6\displaystyle \pi/6일 때 C\displaystyle C의 위치를 C2\displaystyle C_2라 하자. 그러면 다음 그림과 같다.

점 C의 자취인 호 C₁C₂와 외접원의 중심 O

C1C2\displaystyle \overset{\frown}{C_1C_2}의 중심각의 크기 C1OC2\displaystyle \angle C_1OC_2는 원주각 C1BC2\displaystyle \angle C_1BC_2의 2배이고, 각 C1BC2\displaystyle \angle C_1BC_2는 삼각형 C1BA\displaystyle C_1BA로부터 π/6\displaystyle \pi/6이다. 그러므로 호 C1C2\displaystyle \overset{\frown}{C_1C_2}의 중심각의 크기 γ\displaystyle \gammaπ/3\displaystyle \pi/3이다. 그리고 외접원의 반지름의 길이 R\displaystyle R은 사인법칙에 의해 아래와 같이 구할 수 있다.2R=sin(πθ)=6sin(5π/12)=6sin(π/6)cos(π/4)+sin(π/4)cos(π/6)=242+6\displaystyle 2R=\frac\ell{\sin(\pi-\theta)}=\frac6{\sin(5\pi/12)}=\frac6{\sin(\pi/6)\cos(\pi/4)+\sin(\pi/4)\cos(\pi/6)}=\frac{24}{\sqrt2+\sqrt6}그러므로 점 C\displaystyle C의 자취의 길이인 호 C1C2\displaystyle \overset{\frown}{C_1C_2}의 길이 L\displaystyle LL=반지름각도=122+6π3=π(62)\displaystyle L=\text{반지름}\cdot\text{각도}=\frac{12}{\sqrt2+\sqrt6}\cdot\frac\pi3=\pi(\sqrt6-\sqrt2)

+12점 · (상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우 (중상) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우 (중하) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우 (하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

(문제 2-2)(정답)위치: {cx=633cy=333\displaystyle \begin{cases}c_x=6-3\sqrt3\\c_y=3\sqrt3-3\end{cases} & 속도: {vx=18vy=18(23)\displaystyle \begin{cases}v_x=-18\\v_y=18(2-\sqrt3)\end{cases}

(풀이 1)α\displaystyle \alphaβ\displaystyle \beta의 탄젠트 값을 보면 아래와 같은 식을 구할 수 있다.tan(π/12+3t)=cy/(3+cx),tan(π/33t)=cy/(3cx)\displaystyle \tan(\pi/12+3t)=c_y/(3+c_x),\quad\tan(\pi/3-3t)=c_y/(3-c_x) ⋯ (1)t=π/36\displaystyle t=\pi/36이므로 α=π/6\displaystyle \alpha=\pi/6, β=π/4\displaystyle \beta=\pi/4이고 그 탄젠트 값을 보면, tan(π/6)=1/3=cy/(3+cx)\displaystyle \tan(\pi/6)=1/\sqrt3=c_y/(3+c_x), tan(π/4)=1=cy/(3cx)\displaystyle \tan(\pi/4)=1=c_y/(3-c_x)이다. 이 두 식을 연립하여 풀면 cx\displaystyle c_xcy\displaystyle c_y를 아래와 같이 구할 수 있다.

밑변 AB의 중점을 원점으로 놓은 배 C의 좌표와 수선 CH

cx=633,cy=3(31)\displaystyle c_x=6-3\sqrt3,\quad c_y=3(\sqrt3-1) ⋯ (2)속도를 계산하기 위해 식 (1)을 미분하면 아래와 같다.3sec2(π/12+3t)=vy(3+cx)vxcy(3+cx)2,3sec2(π/33t)=vy(3cx)+vxcy(3cx)2\displaystyle 3\sec^2(\pi/12+3t)=\frac{v_y(3+c_x)-v_xc_y}{(3+c_x)^2},\quad-3\sec^2(\pi/3-3t)=\frac{v_y(3-c_x)+v_xc_y}{(3-c_x)^2}주어진 t=π/36\displaystyle t=\pi/36과 식 (2)에서 cx=633\displaystyle c_x=6-3\sqrt3, cy=3(31)\displaystyle c_y=3(\sqrt3-1)를 대입하면 아래와 같다.3sec2(π/6)=4=(933)vy(333)vx(933)2,3sec2(π/4)=6=(333)vy+(333)vx(333)2\displaystyle \begin{aligned}3\sec^2(\pi/6)&=4=\frac{(9-3\sqrt3)v_y-(3\sqrt3-3)v_x}{(9-3\sqrt3)^2},\\-3\sec^2(\pi/4)&=-6=\frac{(3\sqrt3-3)v_y+(3\sqrt3-3)v_x}{(3\sqrt3-3)^2}\end{aligned}이 두 식을 연립하여 풀면 vx\displaystyle v_xvy\displaystyle v_y를 아래와 같이 구할 수 있다.vx=18,vy=18(23)\displaystyle v_x=-18,\quad v_y=18(2-\sqrt3) ⋯ (3)식 (2), (3)에 의해서 위치와 속도를 아래와 같이 구할 수 있다.위치: {cx=633cy=333\displaystyle \begin{cases}c_x=6-3\sqrt3\\c_y=3\sqrt3-3\end{cases} & 속도: {vx=18vy=18(23)\displaystyle \begin{cases}v_x=-18\\v_y=18(2-\sqrt3)\end{cases}

+13점 · (상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우 (중상) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우 (중하) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우 (하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

(문제 2-3)(정답)E(cx)=1,E(cy)=5+43\displaystyle \mathrm{E}(c_x)=-1,\quad\mathrm{E}(c_y)=-5+4\sqrt3또는(1,5+43)\displaystyle (-1,-5+4\sqrt3)(풀이 1)α\displaystyle \alphaβ\displaystyle \beta의 탄젠트 값을 보면 아래와 같은 식을 구할 수 있다.tanα=cy/(3+cx),tanβ=cy/(3cx)\displaystyle \tan\alpha=c_y/(3+c_x),\quad\tan\beta=c_y/(3-c_x)위의 식을 cx\displaystyle c_xcy\displaystyle c_y에 대한 연립방정식으로 쓰면 아래와 같다.{tanαcxcy=3tanαtanβcx+cy=3tanβ\displaystyle \begin{cases}\tan\alpha\cdot c_x-c_y=-3\tan\alpha\\\tan\beta\cdot c_x+c_y=3\tan\beta\end{cases}위의 연립방정식을 풀어 cx\displaystyle c_xcy\displaystyle c_yα\displaystyle \alphaβ\displaystyle \beta를 사용하여 나타내면cx=3(tanαtanβ)tanα+tanβ,cy=6tanαtanβtanα+tanβ\displaystyle c_x=\frac{-3(\tan\alpha-\tan\beta)}{\tan\alpha+\tan\beta},\quad c_y=\frac{6\tan\alpha\tan\beta}{\tan\alpha+\tan\beta}문제에서 주어진 α\displaystyle \alpha가 가질 수 있는 값은 α=π6, π4, π3\displaystyle \alpha=\frac\pi6,\ \frac\pi4,\ \frac\pi3이고 이에 대응하는 β=5π12α\displaystyle \beta=\frac{5\pi}{12}-\alphaβ=π/4, π/6, π/12\displaystyle \beta=\pi/4,\ \pi/6,\ \pi/12이다. tan(π/12)\displaystyle \tan(\pi/12)는 아래와 같이 구할 수 있다.tan(π/6)=tan(π/12+π/12)=2tan(π/12)1tan2(π/12)1/3=2tan(π/12)/(1tan2(π/12))tan2(π/12)+23tan(π/12)1=0tan(π/12)=23\displaystyle \begin{aligned}\tan(\pi/6)&=\tan(\pi/12+\pi/12)=\frac{2\tan(\pi/12)}{1-\tan^2(\pi/12)}\\\Rightarrow\quad1/\sqrt3&=2\tan(\pi/12)/(1-\tan^2(\pi/12))\\\Rightarrow\quad\tan^2(\pi/12)&+2\sqrt3\tan(\pi/12)-1=0\\\Rightarrow\quad\tan(\pi/12)&=2-\sqrt3\end{aligned}따라서 가능한 tanα\displaystyle \tan\alphatanβ\displaystyle \tan\beta는 아래와 같다.

각 α와 β에 따른 탄젠트 값

이산확률변수 X\displaystyle X의 확률분포에 따른 점 C\displaystyle Cx\displaystyle x좌표 cx\displaystyle c_xy\displaystyle y좌표 cy\displaystyle c_y는 다음 표와 같이 계산할 수 있다.

풀이 1의 배 C의 좌표와 확률 표 — 대학 원문

Correction. 표의 cx\displaystyle c_x 값은 왼쪽부터 3(23)\displaystyle 3(2-\sqrt3), 3(23)\displaystyle -3(2-\sqrt3), 3(13)\displaystyle 3(1-\sqrt3)이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+13점 · (상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우 (중상) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우 (중하) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우 (하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

따라서 점 C\displaystyle Cx\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표의 평균(기댓값)은E(cx)=163(23)+12(3(23))+133(13)=1E(cy)=163(1+3)+123(1+3)+133(3+23)=5+43\displaystyle \begin{aligned}\mathrm{E}(c_x)&=\frac16\cdot3(2-\sqrt3)+\frac12\cdot(-3(2-\sqrt3))+\frac13\cdot3(1-\sqrt3)=-1\\\mathrm{E}(c_y)&=\frac16\cdot3(-1+\sqrt3)+\frac12\cdot3(-1+\sqrt3)+\frac13\cdot3(-3+2\sqrt3)=-5+4\sqrt3\end{aligned}이다.

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