수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

※ 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

[가] 평면 위의 한 점 F와 이 점을 지나지 않는 한 직선 k\displaystyle k가 주어질 때, 점 F에 이르는 거리와 직선 k\displaystyle k에 이르는 거리가 같은 점들의 집합을 포물선이라고 한다. 이때 점 F를 포물선의 초점, 직선 k\displaystyle k를 포물선의 준선이라고 한다. 또, 포물선의 초점을 지나고 준선에 수직인 직선을 포물선의 축, 축과 포물선의 교점을 포물선의 꼭짓점이라고 한다.-『고등학교 기하』

[나] 위성 방송 안테나는 포물선의 축에 평행하게 들어오는 전파가 포물선의 초점에 모이는 성질을 이용하여 약한 전파를 증폭하여 수신할 수 있게 한다. 또한, 자동차의 전조등이나 무대의 조명등은 포물선의 이런 성질을 거꾸로 적용한 것이다.이제 포물선이 갖는 이와 같은 성질을 다음과 같이 증명해 보자.(중략)전파가 곡선 위의 한 점에서 반사된다는 것은, 그 점을 지나는 곡선의 접선에 대하여 입사각과 반사각의 크기가 같게 된다는 뜻이다. 따라서 포물선의 축에 평행하게 들어온 전파는 포물선에 반사되어 초점에 모이게 됨을 알 수 있다.-『고등학교 기하』

[다] 쌍곡선 x2a2−y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1 위의 점 P(x1,y1)\displaystyle \mathrm P(x_1,y_1)에서의 접선의 방정식은x1xa2−y1yb2=1\displaystyle \frac{x_1x}{a^2}-\frac{y_1y}{b^2}=1이다.-『고등학교 기하』

[문제1] 그림과 같이 단면이 포물선 모양인 거울 y2=4x (0≤x≤4)\displaystyle y^2=4x\ (0\le x\le4)의 초점 F(1,0)\displaystyle \mathrm F(1,0)에서 쏜 빛이 포물선 위의 점 G(2,22)\displaystyle \mathrm G(2,2\sqrt2)에 반사되어 직진한다. 또한, 이 빛은 단면이 쌍곡선 모양인 거울 x218−y24=1 (32≤x≤9)\displaystyle \frac{x^2}{18}-\frac{y^2}4=1\ (3\sqrt2\le x\le9) 위의 점 P에 반사되어 직진한다. 이때, 직선 l\displaystyle l은 단면이 쌍곡선 모양인 거울 x218−y24=1\displaystyle \frac{x^2}{18}-\frac{y^2}4=1 위의 점 P에서의 접선이고, 빛이 점 P에서 반사되기 전과 후 직선 l\displaystyle l과 이루는 각의 크기 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta는 같다. 다음 물음에 답하시오.

포물선의 초점 F에서 출발해 G와 쌍곡선 위 P에서 반사되는 빛

(1) 직선 l\displaystyle l의 x\displaystyle x절편을 구하시오.

(2) 직선 l\displaystyle l과 x\displaystyle x축이 이루는 예각 γ\displaystyle \gamma의 크기를 구하시오.

(3) 반사된 후 빛이 지나가는 반직선의 연장선 m\displaystyle m이 x\displaystyle x축과 이루는 예각 δ\displaystyle \delta의 크기를 구하시오.

<15줄 이내> [30점]

해설강의 준비중
1단계 · 점 G(2,22)\displaystyle \mathrm G(2,2\sqrt2)에 부딪쳐 진행하는 빛이 x\displaystyle x축과 평행함을 인지하고 쌍곡선과 만나는 점 P(36,22)\displaystyle \mathrm P(3\sqrt6,2\sqrt2)를 구하였다.

(1) 포물선의 초점 F(1,0)\displaystyle \mathrm F(1,0)에서 점 G(2,22)\displaystyle \mathrm G(2,2\sqrt2)에 부딪쳐 진행하는 빛은 제시문 [나]에 의해 x\displaystyle x축과 평행하게 진행한다. 따라서, 이 빛이 쌍곡선과 만나는 점 P는 (36,22)\displaystyle (3\sqrt6,2\sqrt2)이다.

2단계 · 쌍곡선 위의 점 P를 지나는 접선 l\displaystyle l의 직선의 방정식을 구하고, 이 직선의 x\displaystyle x절편 6\displaystyle \sqrt6을 구하였다.

이 점에서 쌍곡선의 접선 l\displaystyle l은 제시문 [다]에 의해36x18−22y4=1\displaystyle \frac{3\sqrt6x}{18}-\frac{2\sqrt2y}4=1이고, l\displaystyle l의 x\displaystyle x절편은 6\displaystyle \sqrt6이다.

3단계 · 접선 l\displaystyle l이 x\displaystyle x축과 이루는 예각 γ=π6\displaystyle \gamma=\frac\pi6를 구하였다.

(2) 접선의 방정식은y=13x−2\displaystyle y=\frac1{\sqrt3}x-\sqrt2이고, tan⁡γ=13\displaystyle \tan\gamma=\frac1{\sqrt3}이므로 γ=π6\displaystyle \gamma=\frac\pi6이다.

4단계 · 점 P에 부딪힌 후의 직선 m\displaystyle m이 x\displaystyle x축과 이루는 예각 δ=π3\displaystyle \delta=\frac\pi3를 구할 수 있다.

(3) 점 P에 반사되기 전 빛의 직진방향은 x\displaystyle x축과 평행하고, 이 빛의 방향과 접선 l\displaystyle l이 이루는 각 α\displaystyle \alpha는 접선 l\displaystyle l이 x\displaystyle x축과 이루는 각 γ\displaystyle \gamma와 엇각 π6\displaystyle \frac\pi6로 같다. 또한, 각 α\displaystyle \alpha는 각 β\displaystyle \beta와 같으므로 이 각 β\displaystyle \beta는 π6\displaystyle \frac\pi6이다. 그런데, 반사되기 전 빛과 x\displaystyle x축이 평행하므로 직선 m\displaystyle m과 이루는 각 δ\displaystyle \delta는 각 β+γ\displaystyle \beta+\gamma와 동위각으로 같다. 따라서, 점 P에 반사된 빛의 직진방향이 x\displaystyle x축과 이루는 각 δ\displaystyle \delta는 π6+π6=π3\displaystyle \frac\pi6+\frac\pi6=\frac\pi3이다.

배점채점 기준
상S[1단계]부터 [4단계]까지를 모두 보이고, 논증이 매끄럽고 설득력이 있는 경우
상A[1단계]부터 [4단계]까지를 모두 보였으나 논증이 매끄럽지 않은 경우
중B[1단계]부터 [3단계]까지를 모두 보이고, 논증이 매끄럽고 설득력이 있는 경우
중C[1단계]부터 [3단계]까지의 과정을 기술한 경우
중D[1단계]부터 [2단계]까지의 과정을 기술한 경우
하E위 단계 중 한 단계만 기술한 경우
하F어느 단계도 맞게 진술하지 못한 경우, 백지인 경우

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