2025학년도 9월 모의평가 수학 14번 풀이 | 지수로그 대칭과 선분 변화량

2025학년도 9월 모의평가 수학 14번은 기울기 3과 길이 n√10으로 두 점의 변화량을 정하고, 지수함수와 로그함수의 y=x 대칭을 이용해 x₁+x₂+x₃=170/7을 얻는 풀이이다. 원의 중심 조건을 대칭성으로 읽는 흐름까지 정리한다.

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250914
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문제

2025학년도 9월 모의평가 수학 14번 문제
2025학년도 9월 모의평가 수학 14번 문제 조건
문제 텍스트 객관식

자연수 nn에 대하여 곡선 y=2xy=2^x 위의 두 점 An,BnA_n, B_n이 다음 조건을 만족시킨다.

(가) 직선 AnBnA_nB_n의 기울기는 33이다.

(나) AnBn=n×10\overline{A_nB_n}=n\times\sqrt{10}

중심이 직선 y=xy=x 위에 있고 두 점 An,BnA_n, B_n을 지나는 원이 곡선 y=log2xy=\log_2 x와 만나는 두 점의 xx좌표 중 큰 값을 xnx_n이라 하자. x1+x2+x3x_1+x_2+x_3의 값은?

  1. 1507\dfrac{150}{7}
  2. 1557\dfrac{155}{7}
  3. 1607\dfrac{160}{7}
  4. 1657\dfrac{165}{7}
  5. 1707\dfrac{170}{7}

정답

풀이

풀이 전략

처음에는 원의 중심을 잡기 전에 선분 AnBnA_nB_n의 모양을 먼저 본다.
기울기 33과 길이 n10n\sqrt{10}은 선분의 가로 변화량과 세로 변화량을 바로 정해 준다.

그 다음에는 중심이 y=xy=x 위에 있는 원과 y=2xy=2^x, y=log2xy=\log_2 x의 대칭 관계를 함께 본다.
지수 그래프 위 오른쪽 점의 yy좌표가 로그 그래프 교점의 큰 xx좌표로 바뀌는 것이 계산의 목표이다.

선분 AnBnA_nB_n을 먼저 손으로 재 보자

기울기가 33인 선분은 오른쪽으로 11만큼 갈 때 위로 33만큼 가는 모양이다.
이 기본 이동의 길이는 12+32=10\sqrt{1^2+3^2}=\sqrt{10}이다.

문제에서 AnBn=n10\overline{A_nB_n}=n\sqrt{10}이라고 했으므로, 이 선분은 기본 이동 (1,3)(1,3)nn배 늘어난 모습으로 잡힌다.
그림에서 보이듯 실제 선분의 가로 변화량은 nn, 세로 변화량은 3n3n이다.

기울기 3과 길이 n√10에서 가로 변화량 n, 세로 변화량 3n을 얻는 선분 그림
기울기 33인 기본 이동 (1,3)(1,3)의 길이가 10\sqrt{10}이므로, 길이 n10n\sqrt{10}인 선분은 가로 nn, 세로 3n3n으로 읽힌다.

수식으로 확인해도 같다.
두 점 사이의 가로 변화량을 Δx\Delta x라고 하면 세로 변화량은 3Δx3\Delta x이고,

(Δx)2+(3Δx)2=n10\sqrt{(\Delta x)^2+(3\Delta x)^2}=n\sqrt{10}

이므로 Δx=n|\Delta x|=n이다.
y=2xy=2^x는 증가함수라서 왼쪽 점에서 오른쪽 점으로 갈 때 가로 변화량은 nn이고 세로 변화량은 3n3n이다.

오른쪽 점의 yy좌표를 목표로 두자

문제에서 묻는 xnx_n은 로그 그래프와 만나는 점의 큰 xx좌표이다.
로그 그래프는 지수 그래프를 직선 y=xy=x에 대하여 접은 그래프이므로, 나중에 로그 그래프의 xx좌표는 지수 그래프 위 점의 yy좌표에서 나온다.

두 점의 이름은 필요하면 바꾸어, 오른쪽에 있는 점을 BnB_n이라고 두어도 선분과 원 조건은 그대로이다.
그래서 오른쪽 점을 Bn=(b,2b)B_n=(b,2^b)라고 두고, 왼쪽 점은 가로로 nn만큼 앞에 있으므로 An=(bn,2bn)A_n=(b-n,2^{b-n})이라고 둔다.

앞에서 세로 변화량이 3n3n임을 얻었으니 2b2bn=3n2^b-2^{b-n}=3n이다.
여기서 필요한 값은 오른쪽 점의 yy좌표 2b2^b이다.
식을 2b2^b 중심으로 묶으면

2b(112n)=3n,2b=3n2n2n12^b\left(1-\frac{1}{2^n}\right)=3n,\qquad 2^b=\frac{3n\cdot2^n}{2^n-1}

이다.

원과 로그 그래프를 y=xy=x에 대하여 접어 보자

이제 원 조건을 연결한다.
원의 중심이 직선 y=xy=x 위에 있으면 그 원은 직선 y=xy=x에 대하여 대칭이다.
중심을 (c,c)(c,c)라고 생각하면, 원 위의 점 (u,v)(u,v)를 좌표를 바꾼 (v,u)(v,u)로 옮겨도 중심까지의 거리가 그대로 유지된다.

y=log2xy=\log_2 xy=2xy=2^x를 직선 y=xy=x에 대하여 대칭이동한 그래프이다.
따라서 An,BnA_n, B_n을 직선 y=xy=x에 대하여 접으면 원 위에 있으면서 동시에 로그 그래프 위에 있는 점들이 된다.

y=x 대칭으로 지수함수 위의 점이 로그함수와 원의 교점으로 옮겨지는 그림
원의 중심이 y=xy=x 위에 있으므로 원도 대칭이고, Bn=(b,2b)B_n=(b,2^b)Bn=(2b,b)B'_n=(2^b,b)로 옮겨져 로그 그래프 위의 큰 xx좌표 교점이 된다.

특히 오른쪽 점 Bn=(b,2b)B_n=(b,2^b)는 접은 뒤 (2b,b)(2^b,b)가 된다.
이 점은 로그 그래프 위에 있고, 원 위에도 있다.
왼쪽 점에서 나온 교점의 xx좌표는 2bn2^{b-n}이고 오른쪽 점에서 나온 교점의 xx좌표는 2b2^b이다.

문제가 로그 그래프와 만나는 점이 두 개라고 했으므로, 방금 얻은 두 대칭점이 바로 그 두 교점이다.
nn은 자연수이므로 2b>2bn2^b>2^{b-n}이다.
따라서 문제에서 말한 큰 xx좌표는 xn=2bx_n=2^b이다.

앞에서 구한 식과 맞물리므로

xn=3n2n2n1x_n=\frac{3n\cdot2^n}{2^n-1}

이다.

n=1,2,3n=1,2,3만 넣어 합을 구해 보자

이제 문제에서 요구한 것은 x1+x2+x3x_1+x_2+x_3이다.
일반식에 n=1,2,3n=1,2,3만 대입하면 된다.
대입 계산은 아래 표처럼 정리된다.

x_n 일반식과 n=1,2,3 대입값을 정리한 계산표
xn=2b=3n2n2n1x_n=2^b=\dfrac{3n\cdot2^n}{2^n-1}n=1,2,3n=1,2,3을 넣어 66, 88, 727\dfrac{72}{7}을 얻는다.

따라서 x1=6x_1=6, x2=8x_2=8, x3=727x_3=\dfrac{72}{7}이고,

x1+x2+x3=6+8+727=1707x_1+x_2+x_3 =6+8+\frac{72}{7} =\frac{170}{7}

이다.
정답은 ⑤이다.

이 문항에서 어려웠던 지점

이 문항은 원, 지수함수, 로그함수가 한꺼번에 등장해서 계산 대상을 크게 잡기 쉽다.
그런데 처음 조건 두 개는 원과 무관하게 선분 AnBnA_nB_n의 가로 변화량과 세로 변화량을 정한다.
기울기 33과 길이 n10n\sqrt{10}이 함께 보이면 (1,3)(1,3)의 길이가 10\sqrt{10}이라는 점을 떠올리는 것이 출발점이다.

그 다음에는 y=2xy=2^xy=log2xy=\log_2 x가 직선 y=xy=x에 대하여 서로 접히는 관계임을 본다.
원의 중심도 같은 직선 위에 있으므로, 지수 그래프 위의 두 점을 접은 점들이 로그 그래프와 원의 교점으로 이어진다.

결국 이 문항에서 가져갈 관찰은 두 가지이다.
길이 조건은 선분의 변화량을 먼저 정하고, 대칭 조건은 지수 그래프의 yy좌표를 로그 그래프의 xx좌표로 바꾼다.
이 두 관찰이 이어지면 계산은 오른쪽 점의 yy좌표 2b2^b를 구하는 일로 정리된다.

문항코드: 250914

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