(가)리처드 파인만은 소년시절에 다음의 기묘한 식을 배우고 언제나 기억했다고 알려져 있다.cos(20∘)⋅cos(40∘)⋅cos(80∘)=81 (ㄱ)이는 삼각함수의 덧셈정리를 통하여 확인할 수 있다. 잘 알려진 사인과 코사인의 덧셈정리는 다음과 같다.cos(α±β)=cosαcosβ∓sinαsinβsin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ이로부터 탄젠트의 덧셈정리, 사인과 코사인의 합·차를 곱으로, 또는 곱을 합·차로 고치는 공식들과, 삼각함수의 배각 및 반각 공식들을 유도할 수 있다. 삼각함수의 곱을 합·차로 고치는 공식을 이용하여 식 (ㄱ)을 아래와 같이 확인할 수 있다.cos(20∘)⋅cos(40∘)⋅cos(80∘)=21(cos(100∘)+cos(60∘))⋅cos(40∘)=21cos(100∘)⋅cos(40∘)+21cos(60∘)⋅cos(40∘)=41(cos(140∘)+cos(60∘))+41cos(40∘)=41cos(60∘)+41(cos(140∘)+cos(40∘))=81한편, 식 (ㄱ)은 사인 함수에 대한 배각의 공식을 이용하여 보일 수도 있다. 배각의 공식을 반복하여 적용하면 아래와 같은 식을 얻는다.sin(20∘)⋅cos(20∘)⋅cos(40∘)⋅cos(80∘)=21sin(40∘)⋅cos(40∘)⋅cos(80∘)=41sin(80∘)⋅cos(80∘)=81sin(160∘)sin(20∘)=sin(160∘)이므로 이로부터 식 (ㄱ)을 얻을 수 있다.
(나)존 매킨(John Machin)은 런던에 있는 Gresham College의 천문학과 교수였는데 π를 근사하는 독특한 공식을 발견한 것으로 유명하다. 예각 ϕ를 그림 1에서와 같이 tanϕ=51을 만족하도록 잡자.
비슷하게 ψ를 tanψ=2391을 만족하도록 잡으면 다음 식이 성립한다.4ϕ−ψ=4π (ㄴ)식 (ㄴ)을 좌우변의 탄젠트 값을 비교하여 확인해 보자. 탄젠트에 대한 배각 공식을 반복 적용한 후 덧셈정리를 적용하면tan2ϕ=1−(1/5)22⋅1/5=125, tan4ϕ=1−tan22ϕ2⋅tan2ϕ=1−(5/12)22⋅5/12=119120,tan(4ϕ−ψ)=1+120/119⋅1/239120/119−1/239=1을 얻는다. tan4π=1이므로 공식 (ㄴ)이 성립한다.
[문제 2-1]〈20점〉 제시문 (가)의 내용을 바탕으로 다음 물음에 답하라.1) 〈10점〉 sin(20∘)⋅sin(40∘)⋅sin(80∘)을 구하라.2) 〈10점〉 다음과 같이 귀납적으로 정의된 수열 {an}을 생각하자.a1=cos7πan+1=ancos7⋅2nπ,n=1,2,…극한 n→∞liman을 구하라.
[문제 2-2]〈20점〉 점 (1,0)을 출발하여, 원점을 중심으로 하고 반지름의 길이가 1인 원 위를 시곗바늘이 도는 방향과 반대인 방향으로 움직이는 점 P를 생각하자. 열린구간 (−1,1)의 수 t에 대하여, 점 P의 x좌표가 처음으로 t가 될 때까지 이동한 거리를 α(t), 점 P의 y좌표가 처음으로 t가 될 때까지 이동한 거리를 β(t)라 하고 f(t)=sin(2α(t))+cos(2β(t))로 정의하자.1) 〈10점〉 함수 f(t)를 삼각함수를 사용하지 않고 나타내라.2) 〈10점〉 열린구간 (−1,1)에서 f′(t)=0인 t를 모두 구하라.
[문제 2-3]〈10점〉 자연수 a,b에 대하여 점 P(1,a), Q(b,1)를 생각하자. 원점 O를 중심으로 점 P를 시곗바늘이 도는 방향과 같은 방향으로 4π만큼 회전한 점을 P′, 점 Q를 시곗바늘이 도는 방향과 반대인 방향으로 γ만큼(단, γ는 tanγ=21인 예각) 회전한 점을 Q′이라 하자. 세 점 O,P′,Q′이 일직선 위에 있도록 하는 자연수 a,b의 쌍을 모두 구하라. (단, 2≤a<b)
해설강의 준비중
아주대 2014학년도 수시 자연계열 (오후) 2번 · mathesis.kr/archive/ajou/2014su/jayeon_pm_2
[문제 2-1] 곱을 합·차로 고치는 공식을 반복 적용하면sin(20∘)⋅sin(40∘)⋅sin(80∘)=−21(cos(100∘)−cos(60∘))⋅sin(40∘)=−21cos(100∘)⋅sin(40∘)+21cos(60∘)⋅sin(40∘)=−41(sin(140∘)−sin(60∘))+41sin(40∘)=41sin(60∘)+41(−sin(140∘)+sin(40∘))=83사인 함수에 대한 배각 공식에 의하여ansin7⋅2n−1π=cos7π⋯cos7⋅2π⋯cos7⋅2n−1π⋅sin7⋅2n−1π=2−nsin72π이 성립하므로 수열 {an}의 일반항은 아래와 같이 주어진다.an=sin7⋅2n−1π2−nsin72π삼각함수의 극한에 관한 공식 t→0limtsint=1으로부터 n→∞liman=72πsin72π을 얻는다.
[문제 2-2] 1) 단위원에서 호의 길이는 중심각의 크기에 대응하므로, 사인과 코사인의 배각 공식에 의하여sin(2α(t))=2sin(α(t))cos(α(t))=2t1−t2cos(2α(t))=1−2sin2(α(t))=1−2t2Correction. 문제에서 α(t)는 x좌표가 t가 되는 때의 이동 거리이고, β(t)는 y좌표가 t가 되는 때의 이동 거리이다. 따라서 cosα(t)=t, sinβ(t)=t이며, 이 문제의 f(t)=2t1−t2+1−2t2는 맞지만 두 번째 식은 cos(2β(t))=1−2sin2(β(t))로 적어야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.을 얻는다. 이로부터 f(t)=2t1−t2+1−2t2임을 알 수 있다.2) 함수 f(t)를 미분하면, f′(t)=21−t2−1−t22t2−4t이다.f′(t)=0에서 1−2t2=2t1−t2. 양변을 제곱하면8t4−8t2+1=0, 따라서 t2=42±2이다. 한편, t와 1−2t2의 부호는 같아야 하므로 f′(t)=0의 근은 t=212−2,−212+2이다.
[문제 2-3] tanϕ=a1, tanψ=b1인 예각 ϕ,ψ를 생각하자. 문제의 조건은 아래 조건과 동등하다.(*) 4π−γ=ϕ+ψ탄젠트에 대한 덧셈정리로부터tan(4π−γ)=1+211−21=31tan(ϕ+ψ)=1−a1b1a1+b1=ab−1a+b을 얻는다. 식 (*)에 의하여 ab−1a+b=31, 즉 ab−3b−3a−1=0를 얻는다. 식을 정리하면 (a−3)(b−3)=10이다. 이 식을 만족하는 자연수의 쌍은 (4,13), (5,8)이다.