수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 3번

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문제

[문제 3] 아래 그림과 같이 두 직선 l1:y=1+tan⁡θ1−tan⁡θx\displaystyle l_1:y=\frac{1+\tan\theta}{1-\tan\theta}x와 l2:y=1−tan⁡θ1+tan⁡θx\displaystyle l_2:y=\frac{1-\tan\theta}{1+\tan\theta}x에 동시에 접하는 원 C1\displaystyle C_1이 있다. 두 직선 l1,l2\displaystyle l_1,l_2와 원 C1\displaystyle C_1에 접하는 더 작은 원을 C2\displaystyle C_2라고 하고, 같은 방법으로 n\displaystyle n번째 원 Cn\displaystyle C_n과 두 직선 l1,l2\displaystyle l_1,l_2에 접하는 Cn\displaystyle C_n보다 작은 원을 Cn+1\displaystyle C_{n+1}이라 할 때 다음 물음에 답하시오. (단, 0<θ<π4\displaystyle 0<\theta<\frac\pi4)

두 직선 사이에 서로 접하며 원점 쪽으로 작아지는 원의 수열

(1) 원 Cn\displaystyle C_n의 반지름을 rn\displaystyle r_n이라 할 때, 원의 중심의 좌표 (xn,yn)\displaystyle (x_n,y_n)을 반지름 rn\displaystyle r_n으로 나타내시오. [14점]

(2) 서로 이웃하는 두 원 Cn,Cn+1\displaystyle C_n,C_{n+1}에 대하여 반지름의 비율 rn+1rn\displaystyle \frac{r_{n+1}}{r_n}을 상수 θ\displaystyle \theta의 관계식으로 나타내시오. [14점]

(3) 원 C1\displaystyle C_1의 반지름의 길이가 2015라고 할 때 원 Cn\displaystyle C_n들의 둘레의 길이의 합을 구하시오. [7점]

해설강의 준비중

논술 직선에 접하는 원의 배치

관련 개념강의 준비중

(1) 주어진 두 직선 l1,l2\displaystyle l_1,l_2이 y=x\displaystyle y=x 대칭이므로 원의 중심 (xn,yn)\displaystyle (x_n,y_n)은 y=x\displaystyle y=x 위의 점 (xn,xn)\displaystyle (x_n,x_n)으로 주어진다. 구하는 원 Cn\displaystyle C_n의 반지름 rn\displaystyle r_n은 직선 y=1+tan⁡θ1−tan⁡θx\displaystyle y=\frac{1+\tan\theta}{1-\tan\theta}x 와 (xn,xn)\displaystyle (x_n,x_n)의 거리이므로rn=∣1+tan⁡θ1−tan⁡θxn−xn∣(1+tan⁡θ1−tan⁡θ)2+1=(2tan⁡θ2sec⁡θ)xn=2sin⁡θ xn\displaystyle r_n=\frac{\left|\frac{1+\tan\theta}{1-\tan\theta}x_n-x_n\right|}{\sqrt{\left(\frac{1+\tan\theta}{1-\tan\theta}\right)^2+1}}=\left(\frac{2\tan\theta}{\sqrt2\sec\theta}\right)x_n=\sqrt2\sin\theta\,x_n 이다.따라서 중심의 좌표는 (xn,yn)=(12sin⁡θrn,12sin⁡θrn)\displaystyle (x_n,y_n)=\left(\frac1{\sqrt2\sin\theta}r_n,\frac1{\sqrt2\sin\theta}r_n\right)이다.

(2) 두 원 Cn,Cn+1\displaystyle C_n,C_{n+1}의 중심점 사이의 거리는 두 원의 반지름의 합과 같으므로 다음 식을 얻는다.rn+rn+1=2(xn−xn+1)=1sin⁡θ(rn−rn+1)\displaystyle r_n+r_{n+1}=\sqrt2(x_n-x_{n+1})=\frac1{\sin\theta}(r_n-r_{n+1})따라서 구하는 반지름의 비율 rn+1rn=1−sin⁡θ1+sin⁡θ\displaystyle \frac{r_{n+1}}{r_n}=\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta} 이다.

(3) 원 Cn\displaystyle C_n의 둘레는 2πrn\displaystyle 2\pi r_n 이므로 주어진 문제는 공비가 rn+1rn=1−sin⁡θ1+sin⁡θ\displaystyle \frac{r_{n+1}}{r_n}=\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta}(=상수) 로 주어진 무한등비급수이다. 이때, 주어진 0<θ<π4\displaystyle 0<\theta<\frac\pi4 에 대하여 반지름의 비율 rn+1rn=1−sin⁡θ1+sin⁡θ\displaystyle \frac{r_{n+1}}{r_n}=\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta}이 구간 (2−12+1,1)\displaystyle \left(\frac{\sqrt2-1}{\sqrt2+1},1\right)에 속하므로 무한등비급수는 수렴하며 값은2πr11−rn+1rn=2πr11−1−sin⁡θ1+sin⁡θ=2015π(1+sin⁡θsin⁡θ)\displaystyle \frac{2\pi r_1}{1-\frac{r_{n+1}}{r_n}}=\frac{2\pi r_1}{1-\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta}}=2015\pi\left(\frac{1+\sin\theta}{\sin\theta}\right) 이다.

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