수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 2번

문제

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해설강의 준비중

(문제 2-1)

제시문 (라)에 의해서 산책로는 게양대를 초점으로 갖고 장축의 길이가 2a=180\displaystyle 2a=180인 타원의 방정식을 따른다. 제시문 (다)에 의해서 선분 DA\displaystyle \overline{\mathrm{DA}}가 이 타원의 장축이 되며, 점 D\displaystyle \mathrm{D}와 점 A\displaystyle \mathrm{A}는 이 타원의 장축 방향의 양 끝점이 된다.

제시문 (마)에 의해서 꽃길은 게양대를 초점으로 갖고 주축의 길이가 2a=60\displaystyle 2a^{\prime}=60인 쌍곡선의 방정식을 따른다. 제시문 (바)에 의해서 파란 꽃길은 점 B\displaystyle \mathrm{B}에서 만난다.

선분 DA\displaystyle \overline{\mathrm{DA}} 중심을 원점으로 하고 선분 DA\displaystyle \overline{\mathrm{DA}}x\displaystyle x축 위에 있도록 좌표평면을 정의하면, 타원의 방정식과 쌍곡선의 방정식은 각각 다음과 같이 쓸 수 있다.x2a2+y2b2=1,x2a2y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1,\quad\frac{x^2}{a^{\prime2}}-\frac{y^2}{b^{\prime2}}=1이 때, 제시문 (라)와 (마)에 의해서 두 곡선은 모두 게양대의 위치를 초점으로 갖는다. 이 초점의 좌표를 (c,0)\displaystyle (-c,0), (c,0)\displaystyle (c,0)라 하면, 다음을 만족한다.c2=a2b2, c2=a2+b2\displaystyle c^2=a^2-b^2,\ c^2=a^{\prime2}+b^{\prime2}, 선분 PQ\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}의 길이 =2c\displaystyle =2c

제시문 (사)에서 정의된 음수대의 위치를 점 R\displaystyle \mathrm{R}이라 하고, 선분 PR\displaystyle \overline{\mathrm{PR}}의 길이를 u\displaystyle u, 선분 RQ\displaystyle \overline{\mathrm{RQ}}의 길이를 v\displaystyle v라 하면, 제시문 (사)에 의해서 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}은 직각삼각형이므로 피타고라스 정리에 의해 다음이 성립한다.(2c)2=u2+v2\displaystyle (2c)^2=u^2+v^2또한, 점 R\displaystyle \mathrm{R}은 타원과 쌍곡선 위의 점이므로, 다음이 성립한다.v+u=2a, vu=2a\displaystyle v+u=2a,\ v-u=2a^{\prime}위의 세 식을 다음과 같이 정리하여 u\displaystyle u, v\displaystyle v, c\displaystyle ca\displaystyle aa\displaystyle a^{\prime}으로 표현할 수 있다.{4c2=u2+v22a=v+u2a=vu{4c2=u2+v2u=aav=a+a\displaystyle \begin{cases}4c^2=u^2+v^2\\2a=v+u\\2a^{\prime}=v-u\end{cases}\Rightarrow\begin{cases}4c^2=u^2+v^2\\u=a-a^{\prime}\\v=a+a^{\prime}\end{cases}4c2=(aa)2+(a+a)2c2=(a2+a2)/2c=a2+a22\displaystyle \Rightarrow4c^2=(a-a^{\prime})^2+(a+a^{\prime})^2\Rightarrow c^2=(a^2+a^{\prime2})/2\Rightarrow c=\frac{\sqrt{a^2+a^{\prime2}}}{\sqrt2}

여기에서 a=90\displaystyle a=90, a=60\displaystyle a^{\prime}=60을 대입하여 c\displaystyle c값을 구할 수 있다.Correction. a=60\displaystyle a^{\prime}=60a=30\displaystyle a^{\prime}=30의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다. c=a2+a22=902+3022=30102=305\displaystyle \therefore\ c=\frac{\sqrt{a^2+a^{\prime2}}}{\sqrt2}=\frac{\sqrt{90^2+30^2}}{\sqrt2}=30\frac{\sqrt{10}}{\sqrt2}=30\sqrt5

타원의 방정식에서 a=90\displaystyle a=90, c=305\displaystyle c=30\sqrt5이므로 b=a2c2\displaystyle b=\sqrt{a^2-c^2}를 구할 수 있고, 쌍곡선의 방정식에서 a=30\displaystyle a^{\prime}=30, c=305\displaystyle c=30\sqrt5이므로 b=c2a2\displaystyle b^{\prime}=\sqrt{c^2-a^{\prime2}}를 구할 수 있다. 숫자를 대입한 결과는 다음과 같다.b=a2c2=9023025=3095=60\displaystyle b=\sqrt{a^2-c^2}=\sqrt{90^2-30^2\cdot5}=30\sqrt{9-5}=60b=c2a2=3025302=3051=60\displaystyle b^{\prime}=\sqrt{c^2-a^{\prime2}}=\sqrt{30^2\cdot5-30^2}=30\sqrt{5-1}=60

이제 선분 AB\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}의 길이는 x\displaystyle x좌표가 a=90\displaystyle a=90일 때 쌍곡선의 y\displaystyle y좌표와 값이 같다. 쌍곡선의 방정식을 y>0\displaystyle y>0에 관하여 정리하고 해서 x=90\displaystyle x=90을 대입하자.x2a2y2b2=1y=bx2a21=609023021=60321=1202\displaystyle \frac{x^2}{a^{\prime2}}-\frac{y^2}{b^{\prime2}}=1\Rightarrow y=b^{\prime}\sqrt{\frac{x^2}{a^{\prime2}}-1}=60\sqrt{\frac{90^2}{30^2}-1}=60\sqrt{3^2-1}=120\sqrt2그러므로 선분 AB\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}의 길이는 1202\displaystyle 120\sqrt2이다.

답을 정리해서 쓰면 다음과 같다.두 국기게양대 사이의 거리 =2c=605\displaystyle =2c=60\sqrt5,공원의 세로 길이 =\displaystyle = 선분 AB\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}의 길이 =1202\displaystyle =120\sqrt2

(문제 2-2)

P\displaystyle \mathrm{P} 지점에 있는 국기게양대의 꼭대기를 점 H\displaystyle \mathrm{H}라 하고, 문제에서 주어진 각도 PBH=15\displaystyle \angle\mathrm{PBH}=15^\circθ\displaystyle \theta라고 하자. 삼각형 PBH\displaystyle \triangle\mathrm{PBH}에서 각 PBH\displaystyle \angle\mathrm{PBH}에 대한 탄젠트 값은 tanθ=HPBP\displaystyle \tan\theta=\frac{\overline{\mathrm{HP}}}{\overline{\mathrm{BP}}}이다. 그러므로 구하고자 하는 값 h2\displaystyle h^2은 다음과 같다.h2=tan2θBP2\displaystyle h^2=\tan^2\theta\cdot\overline{\mathrm{BP}}^2h2\displaystyle h^2을 구하기 위해 tanθ\displaystyle \tan\thetaBP2\displaystyle \overline{\mathrm{BP}}^2을 구하자.

국기게양대 꼭대기와 공원 위 직각삼각형

첫째로 tanθ=tan15\displaystyle \tan\theta=\tan15^\circ를 구하기 위해 다음과 같이 삼각함수의 덧셈공식을 사용하자.tanθ=tan15=tan(4530)=tan45tan301+tan45tan30=11/31+11/3=313+1=3+12331=23\displaystyle \begin{aligned}\tan\theta&=\tan15^\circ=\tan(45^\circ-30^\circ)=\frac{\tan45^\circ-\tan30^\circ}{1+\tan45^\circ\tan30^\circ}\\&=\frac{1-1/\sqrt3}{1+1\cdot1/\sqrt3}=\frac{\sqrt3-1}{\sqrt3+1}=\frac{3+1-2\sqrt3}{3-1}=2-\sqrt3\end{aligned}

둘째로 BP2\displaystyle \overline{\mathrm{BP}}^2을 구하기 위해 삼각형 PAB\displaystyle \triangle\mathrm{PAB}를 관찰하자. 삼각형 PAB\displaystyle \triangle\mathrm{PAB}는 각 PAB\displaystyle \angle\mathrm{PAB}90\displaystyle 90^\circ인 직각삼각형이고, PA=ac=90305\displaystyle \overline{\mathrm{PA}}=a-c=90-30\sqrt5, AB=1202\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=120\sqrt2이므로 피타고라스 정리에 의해서 다음과 같이 BP2\displaystyle \overline{\mathrm{BP}}^2을 구할 수 있다.BP2=(90305)2+(1202)2=302(32+5235+422)=1800(2335)\displaystyle \begin{aligned}\overline{\mathrm{BP}}^2&=(90-30\sqrt5)^2+(120\sqrt2)^2\\&=30^2(3^2+5-2\cdot3\sqrt5+4^2\cdot2)\\&=1800(23-3\sqrt5)\end{aligned}

위에서 구한 tanθ\displaystyle \tan\thetaBP2\displaystyle \overline{\mathrm{BP}}^2의 값을 h2=tan2θBP2\displaystyle h^2=\tan^2\theta\cdot\overline{\mathrm{BP}}^2에 대입하면 다음과 같다.h2=tan2θBP2=(23)21800(2335)=1800(161923215+1215)\displaystyle \begin{aligned}h^2&=\tan^2\theta\cdot\overline{\mathrm{BP}}^2\\&=(2-\sqrt3)^2\cdot1800(23-3\sqrt5)\\&=1800(161-92\sqrt3-21\sqrt5+12\sqrt{15})\end{aligned}

그러므로 h1=161\displaystyle h_1=161, h2=92\displaystyle h_2=-92, h3=21\displaystyle h_3=-21, h4=12\displaystyle h_4=12이므로h1+h2+h3+h4=1619221+12=60\displaystyle h_1+h_2+h_3+h_4=161-92-21+12=60이다.

[2-1] (15점)(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 실수가 있거나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우(하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

[2-2] (15점)(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 실수가 있거나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우(하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

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