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의예과 1번

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[문제 1-1] (답) 2725\displaystyle -\frac{27}{25}

(풀이) 두 초점 F,F\displaystyle F,F^{\prime} 사이의 거리가 14이고 주축의 길이가 10인 쌍곡선의 방정식은 x225y224=1\displaystyle \frac{x^2}{25}-\frac{y^2}{24}=1이다. (이유: 초점 F(7,0)\displaystyle F(7,0), F(7,0)\displaystyle F^{\prime}(-7,0)이고 25+24=72\displaystyle 25+24=7^2)

이 쌍곡선에 대해 다음 기본 성질이 성립된다.

P\displaystyle P가 쌍곡선 위의 점이므로 쌍곡선의 정의에 의해 FPFP=10\displaystyle \overline{F^{\prime}P}-\overline{FP}=10이다. 이때 FR=10\displaystyle \overline{F^{\prime}R}=10이므로 PR=PF\displaystyle \overline{PR}=\overline{PF}가 성립된다. 그러면 PRF\displaystyle \triangle PRF는 이등변 삼각형이다.

Q\displaystyle Q가 선분 FR\displaystyle F^{\prime}R을 지름으로 하는 원 위에 있으므로 FQR=π2\displaystyle \angle F^{\prime}QR=\frac\pi2이 되고 결과적으로 FQR=π2\displaystyle \angle FQR=\frac\pi2가 된다.

이로부터 다음 성질이 성립한다.

PQRPQF\displaystyle \triangle PQR\equiv\triangle PQF (이유: PQ\displaystyle \overline{PQ}는 공통, PR=PF\displaystyle \overline{PR}=\overline{PF}, RPQ=FPQ\displaystyle \angle RPQ=\angle FPQ이므로 SAS 합동)이므로 다음이 성립된다.

(ⅰ) RQ=FQ\displaystyle \overline{RQ}=\overline{FQ}

(ⅱ) PQR=PQF\displaystyle \angle PQR=\angle PQF이고 FQR=π2\displaystyle \angle FQR=\frac\pi2이므로 PQR=PQF=π4\displaystyle \angle PQR=\angle PQF=\frac\pi4이 성립되며 결과적으로 직선 \displaystyle \ell의 기울기는 tan(π4)=1\displaystyle \tan\left(\frac\pi4\right)=1이다.

Q(1,0)\displaystyle Q(1,0)을 보인다.

Q\displaystyle Q(k,0) (k>0)\displaystyle (k,0)\ (k>0)라고 하면 FQ=7+k\displaystyle \overline{F^{\prime}Q}=7+k, FQ=7k\displaystyle \overline{FQ}=7-k이고, ‘③(ⅰ)’ 식에 의해 RQ=7k\displaystyle \overline{RQ}=7-k가 된다. 그러면 삼각형 RQF\displaystyle \triangle RQF^{\prime}은 직각삼각형이므로 102=(7+k)2+(7k)2\displaystyle 10^2=(7+k)^2+(7-k)^2을 만족한다. 따라서 k=1\displaystyle k=1이다.

cosθ=2425\displaystyle \cos\theta=\frac{24}{25}를 보인다.

③과 ④에 의해 직선 \displaystyle \ell의 방정식은 y=x1\displaystyle y=x-1이다. 이 식을 쌍곡선 x225y224=1\displaystyle \frac{x^2}{25}-\frac{y^2}{24}=1에 대입하여 풀면 점 P\displaystyle P의 좌표는 (25,24)\displaystyle (25,24)이다.

FP=(257)2+242=30\displaystyle \overline{FP}=\sqrt{(25-7)^2+24^2}=30, FP=(25+7)2+242=40\displaystyle \overline{F^{\prime}P}=\sqrt{(25+7)^2+24^2}=40, FF=14\displaystyle \overline{FF^{\prime}}=14이므로

cosθ=302+4021422×30×40=2425\displaystyle \cos\theta=\frac{30^2+40^2-14^2}{2\times30\times40}=\frac{24}{25}이다.

0θxcosxf(sinx)dx+π2θπ2f(cosx)dx\displaystyle \int_0^\theta x\cos x\,f^{\prime}(\sin x)\,dx+\int_{\frac\pi2-\theta}^{\frac\pi2}f(\cos x)\,dx을 계산한다.

(ⅰ) [xf(sinx)]=f(sinx)+xcosxf(sinx)\displaystyle [xf(\sin x)]^{\prime}=f(\sin x)+x\cos x\,f^{\prime}(\sin x)이므로 0θxcosxf(sinx)dx\displaystyle \int_0^\theta x\cos x\,f^{\prime}(\sin x)\,dx에 부분적분법을 적용하면 다음이 성립한다.0θxcosxf(sinx)dx=[xf(sinx)]0θ0θf(sinx)dx=θf(sinθ)0θf(sinx)dx\displaystyle \int_0^\theta x\cos x\,f^{\prime}(\sin x)\,dx=\Biggl[xf(\sin x)\Biggr]_0^\theta-\int_0^\theta f(\sin x)\,dx=\theta f(\sin\theta)-\int_0^\theta f(\sin x)\,dx-

(ⅱ) π2θπ2f(cosx)dx\displaystyle \int_{\frac\pi2-\theta}^{\frac\pi2}f(\cos x)\,dx에서 x=π2t\displaystyle x=\frac\pi2-t로 치환하면 다음 식이 성립한다.π2θπ2f(cosx)dx=θ0f(cos(π2t))dt=θ0f(sint)dt=0θf(sint)dt\displaystyle \int_{\frac\pi2-\theta}^{\frac\pi2}f(\cos x)\,dx=-\int_\theta^0f\left(\cos\left(\frac\pi2-t\right)\right)\,dt=-\int_\theta^0f(\sin t)\,dt=\int_0^\theta f(\sin t)\,dt

따라서 (ⅰ)과 (ⅱ)를 사용하여 주어진 식을 구하면 다음과 같다.

0θxcosxf(sinx)dx+π2θπ2f(cosx)dx=θf(sinθ)0θf(sinx)dx+0θf(sint)dt=θf(sinθ)\displaystyle \int_0^\theta x\cos x\,f^{\prime}(\sin x)\,dx+\int_{\frac\pi2-\theta}^{\frac\pi2}f(\cos x)\,dx=\theta f(\sin\theta)-\int_0^\theta f(\sin x)\,dx+\int_0^\theta f(\sin t)\,dt=\theta f(\sin\theta)

=θf(725)\displaystyle =\theta f\left(\frac7{25}\right) (이유: cosθ=2425\displaystyle \cos\theta=\frac{24}{25}, sin2θ+cos2θ=1\displaystyle \sin^2\theta+\cos^2\theta=1, sinθ>0\displaystyle \sin\theta>0이므로)

=5(35)3=2725\displaystyle =5\left(-\frac35\right)^3=-\frac{27}{25} (이유: f(x)=5θ(5x2)3\displaystyle f(x)=\frac5\theta(5x-2)^3이므로)

[문제 1-2] (답) 7175\displaystyle \frac{71}{75}

(풀이)

PD=PR+2PF3=a+2b3\displaystyle \overrightarrow{PD}=\frac{\overrightarrow{PR}+2\overrightarrow{PF}}3=\frac{\vec a+2\vec b}3

l=23\displaystyle l=-\frac23을 보인다.

DPR=EPR\displaystyle \angle DPR=\angle EPR이므로 PD+PE=mPR\displaystyle \overrightarrow{PD}+\overrightarrow{PE}=m\overrightarrow{PR} (m\displaystyle m은 0이 아닌 실수)로 쓸 수 있으므로 다음 식이 성립한다.a+2b3+(ka+lb)=ma\displaystyle \frac{\vec a+2\vec b}3+(k\vec a+l\vec b)=m\vec a(13+km)a+(23+l)b=0\displaystyle \left(\frac13+k-m\right)\vec a+\left(\frac23+l\right)\vec b=\vec0

두 벡터 a\displaystyle \vec ab\displaystyle \vec b가 서로 평행이 아니므로 위 식이 성립하려면 13+km=0\displaystyle \frac13+k-m=0, 23+l=0\displaystyle \frac23+l=0이다. 즉,k13\displaystyle k\ne-\frac13, l=23\displaystyle l=-\frac23이다.

k=12175\displaystyle k=\frac{121}{75}

PD=PE\displaystyle \overline{PD}=\overline{PE}이므로 PD=a+2b3\displaystyle \overrightarrow{PD}=\frac{\vec a+2\vec b}3PE=ka23b\displaystyle \overrightarrow{PE}=k\vec a-\frac23\vec b에 대해서 PDPD=PEPE\displaystyle \overrightarrow{PD}\cdot\overrightarrow{PD}=\overrightarrow{PE}\cdot\overrightarrow{PE}이 성립한다. 따라서

(a+2b3)(a+2b3)=(ka2b3)(ka2b3)\displaystyle \left(\frac{\vec a+2\vec b}3\right)\cdot\left(\frac{\vec a+2\vec b}3\right)=\left(k\vec a-\frac{2\vec b}3\right)\cdot\left(k\vec a-\frac{2\vec b}3\right)

19a2+49b2+49ab=k2a2+49b243kab()\displaystyle \frac19|\vec a|^2+\frac49|\vec b|^2+\frac49\vec a\cdot\vec b=k^2|\vec a|^2+\frac49|\vec b|^2-\frac43k\vec a\cdot\vec b\quad---(*)

a=b\displaystyle |\vec a|=|\vec b|이고 cosθ=2425\displaystyle \cos\theta=\frac{24}{25}이므로 (이유: [문제 1-1] 풀이에서 계산)

식 (*)는 다음과 같다: 225k2288k121=0\displaystyle 225k^2-288k-121=0 즉, (3k+1)(75k121)=0\displaystyle (3k+1)(75k-121)=0

따라서 k=12175\displaystyle k=\frac{121}{75} (이유: (풀이2) ②에서 k13\displaystyle k\ne-\frac13이므로)

[문제 1-1] (15점)(5점) cosθ=2425\displaystyle \cos\theta=\frac{24}{25} 또는 sinθ=725\displaystyle \sin\theta=\frac7{25} (다양한 풀이)(5점) 부분적분법으로 0θxcosxf(sinx)dx\displaystyle \int_0^\theta x\cos x\,f^{\prime}(\sin x)\,dx 계산(3점) 치환 적분으로 π2θπ2f(cosx)dx\displaystyle \int_{\frac\pi2-\theta}^{\frac\pi2}f(\cos x)\,dx 계산(2점) PR=PF\displaystyle \overline{PR}=\overline{PF}가 성립(쌍곡선 개념 사용)

[문제 1-2] (15점)(5점) 답안을 명료하게 작성(다양한 풀이)(5점) k=121/75\displaystyle k=121/75 (다양한 풀이)(3점) PD=PR+2PF3=a+2b3\displaystyle \overrightarrow{PD}=\frac{\overrightarrow{PR}+2\overrightarrow{PF}}3=\frac{\vec a+2\vec b}3(2점) l=2/3\displaystyle l=-2/3 (다양한 풀이)

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