[문제 3] 아래 그림과 같이 두 직선 l1:y=1−tanθ1+tanθx와 l2:y=1+tanθ1−tanθx에 동시에 접하는 원 C1이 있다. 두 직선 l1,l2와 원 C1에 접하는 더 작은 원을 C2라고 하고, 같은 방법으로 n번째 원 Cn과 두 직선 l1,l2에 접하는 Cn보다 작은 원을 Cn+1이라 할 때 다음 물음에 답하시오. (단, 0<θ<4π)
(1)원 Cn의 반지름을 rn이라 할 때, 원의 중심의 좌표 (xn,yn)을 반지름 rn으로 나타내시오. [14점]
(2)서로 이웃하는 두 원 Cn,Cn+1에 대하여 반지름의 비율 rnrn+1을 상수 θ의 관계식으로 나타내시오. [14점]
(3)원 C1의 반지름의 길이가 2015라고 할 때 원 Cn들의 둘레의 길이의 합을 구하시오. [7점]
이화여대 2015학년도 모의 자연계열 I 3번 · mathesis.kr/archive/ewha/2015mo/jayeon1_3
(1) 주어진 두 직선 l1,l2이 y=x 대칭이므로 원의 중심 (xn,yn)은 y=x 위의 점 (xn,xn)으로 주어진다. 구하는 원 Cn의 반지름 rn은 직선 y=1−tanθ1+tanθx 와 (xn,xn)의 거리이므로rn=(1−tanθ1+tanθ)2+11−tanθ1+tanθxn−xn=(2secθ2tanθ)xn=2sinθxn 이다.따라서 중심의 좌표는 (xn,yn)=(2sinθ1rn,2sinθ1rn)이다.
(2) 두 원 Cn,Cn+1의 중심점 사이의 거리는 두 원의 반지름의 합과 같으므로 다음 식을 얻는다.rn+rn+1=2(xn−xn+1)=sinθ1(rn−rn+1)따라서 구하는 반지름의 비율 rnrn+1=1+sinθ1−sinθ 이다.
(3) 원 Cn의 둘레는 2πrn 이므로 주어진 문제는 공비가 rnrn+1=1+sinθ1−sinθ(=상수) 로 주어진 무한등비급수이다. 이때, 주어진 0<θ<4π 에 대하여 반지름의 비율 rnrn+1=1+sinθ1−sinθ이 구간 (2+12−1,1)에 속하므로 무한등비급수는 수렴하며 값은1−rnrn+12πr1=1−1+sinθ1−sinθ2πr1=2015π(sinθ1+sinθ) 이다.