수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

중심이 A\displaystyle A 이고 반지름이 R\displaystyle R 인 원1이 아래 그림과 같이 고정된 점 C\displaystyle C 에서 바닥과 접하고 있다. 원2는 중심이 B\displaystyle B 이고 반지름이 시각 t (t>0)\displaystyle t\,(t>0)일 때 t\displaystyle t 이다. 또한 원2는 그림과 같이 점 D\displaystyle D 에서 바닥과 접하고, 동시에 원1과 점 P\displaystyle P 에서 접한다.

바닥에 접하면서 서로 외접하는 반지름 R과 t인 두 원

[문제 1] 시각 t\displaystyle t 가 변화할 때 원2의 중심 B\displaystyle B 의 자취는 어떤 곡선을 이루는지 설명하시오. (33.3...%)

[문제 2] 선분 AB\displaystyle AB 의 길이 AB‾\displaystyle \overline{AB} 와 선분 CD\displaystyle CD 의 길이 CD‾\displaystyle \overline{CD} 는 시각 t\displaystyle t 에 대한 함수이다. AB‾\displaystyle \overline{AB} 와 CD‾\displaystyle \overline{CD} 의 시간에 대한 변화율이 같아지는 시각 t\displaystyle t 를 구하시오. (33.3...%)

[문제 3] 점 P\displaystyle P 의 속력이 12\displaystyle \frac12 이 되는 시각 t\displaystyle t 를 구하시오. (33.3...%)

해설강의 준비중

[문제 1]점 C\displaystyle C 를 원점으로, 바닥을 x\displaystyle x축으로 잡으면, 점 B\displaystyle B 의 좌표는 (x,y)=(CD‾,BD‾)=(2Rt,t)\displaystyle (x,y)=(\overline{CD},\overline{BD})=(2\sqrt{Rt},t) 이다. (BD‾=t\displaystyle \overline{BD}=t 이고, 피타고라스의 정리에 의하여 CD‾=AB‾2−(AC‾−BD‾)2=(R+t)2−(R−t)2=2Rt\displaystyle \overline{CD}=\sqrt{\overline{AB}^{2}-(\overline{AC}-\overline{BD})^{2}}=\sqrt{(R+t)^2-(R-t)^2}=2\sqrt{Rt} 이다.) x2=(2Rt)2=4Rt=4Ry\displaystyle x^2=(2\sqrt{Rt})^2=4Rt=4Ry, 즉 x2=4Ry\displaystyle x^2=4Ry 이므로, 점 B\displaystyle B 의 자취는 포물선을 이룬다.

[문제 2]AB‾=R+t\displaystyle \overline{AB}=R+t, CD‾=2Rt\displaystyle \overline{CD}=2\sqrt{R}\sqrt{t} 이므로,ddtAB‾=ddt(R+t)=1\displaystyle \frac{d}{dt}\overline{AB}=\frac{d}{dt}(R+t)=1, ddtCD‾=ddt(2Rt)=Rt\displaystyle \frac{d}{dt}\overline{CD}=\frac{d}{dt}(2\sqrt{R}\sqrt{t})=\frac{\sqrt{R}}{\sqrt{t}} 이다. 따라서 Rt=1\displaystyle \frac{\sqrt{R}}{\sqrt{t}}=1, 즉 t=R\displaystyle t=R 이므로, 주어진 조건을 만족하는 시각은 R\displaystyle R 이다.

[문제 3]점 P\displaystyle P 는 원1의 원호를 따라서 움직이므로, 속력은 원호의 길이 CP^\displaystyle \widehat{CP} 의 미분이다. θ=∠PAC\displaystyle \theta=\angle PAC 로 놓으면 CP^=Rθ\displaystyle \widehat{CP}=R\theta 이므로, ddtCP^=ddt(Rθ)=Rdθdt\displaystyle \frac{d}{dt}\widehat{CP}=\frac{d}{dt}(R\theta)=R\frac{d\theta}{dt} 이다. 여기서 cos⁡θ=R−tR+t\displaystyle \cos\theta=\frac{R-t}{R+t} 이므로, 이 식의 양변을 t\displaystyle t 로 미분하면ddtcos⁡θ=−sin⁡θ⋅dθdt=−2R(R+t)2=ddt(R−tR+t)\displaystyle \frac{d}{dt}\cos\theta=-\sin\theta\cdot\frac{d\theta}{dt}=-\frac{2R}{(R+t)^2}=\frac{d}{dt}\left(\frac{R-t}{R+t}\right),⇔ dθdt=2R(R+t)2sin⁡θ=2R(R+t)2⋅1CD‾AB‾=2R(R+t)2⋅R+t2Rt=R(R+t)t\displaystyle \Leftrightarrow\ \frac{d\theta}{dt}=\frac{2R}{(R+t)^2\sin\theta}=\frac{2R}{(R+t)^2}\cdot\frac1{\frac{\overline{CD}}{\overline{AB}}}=\frac{2R}{(R+t)^2}\cdot\frac{R+t}{2\sqrt{R}\sqrt{t}}=\frac{\sqrt{R}}{(R+t)\sqrt{t}} 이다. 따라서 ddtCP^=Rdθdt=RR(R+t)t\displaystyle \frac{d}{dt}\widehat{CP}=R\frac{d\theta}{dt}=\frac{R\sqrt{R}}{(R+t)\sqrt{t}} 이 되고, ddtCP^=RR(R+t)t=12\displaystyle \frac{d}{dt}\widehat{CP}=\frac{R\sqrt{R}}{(R+t)\sqrt{t}}=\frac12 을 풀면 t=R\displaystyle t=R 을 얻는다.

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