수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 3번

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문제

[문항 3] 좌표평면의 원 x2+y2=16\displaystyle x^{2}+y^{2}=16 위의 두 점 A(22,22),B(6−2,6+2)\displaystyle \mathrm{A}(2\sqrt{2},2\sqrt{2}),\mathrm{B}(\sqrt{6}-\sqrt{2},\sqrt{6}+\sqrt{2})에 대하여 다음 물음에 답하시오. [30점]

(1) 두 점 A,B\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B}를 지나는 직선의 방정식을 구하시오.

(2) 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이를 구하시오. (단, 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}는 제1사분면에 있다.)

(3) 좌표평면의 집합 C={(cos⁡θ−1,sin⁡θ)∣0≤θ<2π}\displaystyle C=\{(\cos\theta-1,\sin\theta)\mid0\le\theta<2\pi\}에 속하는 점 P(cos⁡θ−1,sin⁡θ)\displaystyle \mathrm{P}(\cos\theta-1,\sin\theta)에 대하여 문항 (2)의 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 두 선분 AP,BP\displaystyle \mathrm{AP},\mathrm{BP}로 둘러싸인 도형의 넓이를 S(θ)\displaystyle S(\theta)라 하자. S(θ)\displaystyle S(\theta)의 최댓값을 M\displaystyle M, 최솟값을 m\displaystyle m이라 할 때 (M−m)2\displaystyle (M-m)^{2}의 값을 구하시오.

해설강의 준비중

좌표평면의 원 x2+y2=16\displaystyle x^{2}+y^{2}=16 위의 두 점 A(22,22),B(6−2,6+2)\displaystyle \mathrm{A}(2\sqrt{2},2\sqrt{2}),\mathrm{B}(\sqrt{6}-\sqrt{2},\sqrt{6}+\sqrt{2})에 대하여 다음 물음에 답하시오.

+4점 · 두 점 A,B\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B}를 지나는 직선의 기울기 −13\displaystyle -\frac{1}{\sqrt{3}}을 구함. 직선의 방정식 y=−x+26\displaystyle y=-x+2\sqrt{6}을 구함.

Correction. 채점기준의 직선은 x+3y−(22+26)=0\displaystyle x+\sqrt3y-(2\sqrt2+2\sqrt6)=0으로 써야 한다. 대학 예시답안의 식은 맞다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

3-(1) 두 점 A,B\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B}를 지나는 직선의 방정식을 구하시오.[풀이]두 점 A,B\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B}를 지나는 직선의 기울기가 22−(6+2)22−(6−2)=−13\displaystyle \frac{2\sqrt{2}-(\sqrt{6}+\sqrt{2})}{2\sqrt{2}-(\sqrt{6}-\sqrt{2})}=-\frac{1}{\sqrt{3}}이므로 구하는 직선의 방정식은 y=−13(x−22)+22=−13x+26+623\displaystyle y=-\frac{1}{\sqrt{3}}(x-2\sqrt{2})+2\sqrt{2}=-\frac{1}{\sqrt{3}}x+\frac{2\sqrt{6}+6\sqrt{2}}{3},즉 x+3y−(22+26)=0\displaystyle x+\sqrt{3}y-(2\sqrt{2}+2\sqrt{6})=0이다.

+8점 · 두 선분 OA,OB\displaystyle \mathrm{OA},\mathrm{OB}가 x\displaystyle x축과 이루는 각 α,β\displaystyle \alpha,\beta에 대하여 tan⁡α=1\displaystyle \tan\alpha=1과 tan⁡β=2+3\displaystyle \tan\beta=2+\sqrt{3}를 구함. 탄젠트함수의 덧셈정리를 활용하여 tan⁡(β−α)=13\displaystyle \tan(\beta-\alpha)=\frac{1}{\sqrt{3}}을 구함. 두 선분 OA,OB\displaystyle \mathrm{OA},\mathrm{OB}가 이루는 각 β−α=π6\displaystyle \beta-\alpha=\frac{\pi}{6}를 구함. 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이 4⋅π6=2π3\displaystyle 4\cdot\frac{\pi}{6}=\frac{2\pi}{3}를 구함.

3-(2) 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이를 구하시오. (단, 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}는 제1사분면에 있다.)[풀이]두 선분 OA,OB\displaystyle \mathrm{OA},\mathrm{OB}가 x\displaystyle x축과 이루는 각을 각각 α,β\displaystyle \alpha,\beta라고 하면 tan⁡α=2222=1\displaystyle \tan\alpha=\frac{2\sqrt{2}}{2\sqrt{2}}=1이고 tan⁡β=6+26−2=2+3\displaystyle \tan\beta=\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{\sqrt{6}-\sqrt{2}}=2+\sqrt{3}이다. 탄젠트함수의 덧셈정리에 의해tan⁡(β−α)=tan⁡β−tan⁡α1+tan⁡β⋅tan⁡α=(2+3)−11+(2+3)⋅1=13\displaystyle \tan(\beta-\alpha)=\frac{\tan\beta-\tan\alpha}{1+\tan\beta\cdot\tan\alpha}=\frac{(2+\sqrt{3})-1}{1+(2+\sqrt{3})\cdot1}=\frac{1}{\sqrt{3}}이므로 원점 O\displaystyle \mathrm{O}에 대하여 두 선분 OA,OB\displaystyle \mathrm{OA},\mathrm{OB}가 이루는 각이 β−α=π6\displaystyle \beta-\alpha=\frac{\pi}{6}이다. 원의 반지름이 4\displaystyle 4이므로 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이는 4⋅π6=2π3\displaystyle 4\cdot\frac{\pi}{6}=\frac{2\pi}{3}이다.

+18점 · 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 두 선분 AP,BP\displaystyle \mathrm{AP},\mathrm{BP}로 둘러싸인 도형의 넓이는 모두 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}로 둘러싸인 도형의 넓이와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 밑변으로 하고 집합 C\displaystyle C의 한 점 P(cos⁡θ−1,sin⁡θ)\displaystyle \mathrm{P}(\cos\theta-1,\sin\theta)를 꼭짓점으로 하는 삼각형의 넓이의 합과 같음을 서술하고 이 삼각형의 넓이가 최대일 때 구하는 넓이 S(θ)\displaystyle S(\theta)가 최대이고 삼각형의 넓이가 최소일 때 구하는 넓이도 최소임을 바르게 설명함. 집합 C\displaystyle C의 점은 (x+1)2+y2=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=\cos^{2}\theta+\sin^{2}\theta=1으로 나타나는 원의 점임을 바르게 설명함. 집합 C\displaystyle C가 나타내는 원의 한 점과 문항 (1)에서 구한 직선과의 거리가 최대인 h1\displaystyle h_{1}일 때 넓이 S(θ)\displaystyle S(\theta)가 최대가 되고 거리가 최소인 h2\displaystyle h_{2}일 때 넓이 S(θ)\displaystyle S(\theta)가 최소가 됨을 바르게 설명함. S(θ)\displaystyle S(\theta)의 최댓값 M\displaystyle M과 최솟값 m\displaystyle m의 차 M−m\displaystyle M-m이 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 공통인 밑변으로 하고 높이가 h1\displaystyle h_{1}인 삼각형의 넓이와 높이가 h2\displaystyle h_{2}인 삼각형의 넓이의 차이이므로 M−m=12AB‾⋅(h1−h2)\displaystyle M-m=\frac{1}{2}\overline{\mathrm{AB}}\cdot(h_{1}-h_{2})임을 바르게 설명함. 직선 x+3y−(22+26)=0\displaystyle x+\sqrt{3}y-(2\sqrt{2}+2\sqrt{6})=0에서 원 (x+1)2+y2=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=1와의 거리가 최대 또는 최소가 되는 원 (x+1)2+y2=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=1 위의 점이 이 원과 기울기가 −13\displaystyle -\frac{1}{\sqrt{3}}인 접선이 만나는 두 점임을 설명하고 이를 근거로 h1−h2=2\displaystyle h_{1}-h_{2}=2를 바르게 구함. 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이의 제곱 32−163\displaystyle 32-16\sqrt{3}을 구하여 (M−m)2={12⋅AB‾⋅(h1−h2)}2=AB‾2=32−163\displaystyle (M-m)^{2}=\left\{\frac{1}{2}\cdot\overline{\mathrm{AB}}\cdot(h_{1}-h_{2})\right\}^{2}=\overline{\mathrm{AB}}^{2}=32-16\sqrt{3}를 바르게 구함.

3-(3) 좌표평면의 집합 C={(cos⁡θ−1,sin⁡θ)∣0≤θ<2π}\displaystyle C=\{(\cos\theta-1,\sin\theta)\mid0\le\theta<2\pi\}에 속하는 점 P(cos⁡θ−1,sin⁡θ)\displaystyle \mathrm{P}(\cos\theta-1,\sin\theta)에 대하여 문항 (2)의 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 두 선분 AP,BP\displaystyle \mathrm{AP},\mathrm{BP}로 둘러싸인 도형의 넓이를 S(θ)\displaystyle S(\theta)라 하자. S(θ)\displaystyle S(\theta)의 최댓값을 M\displaystyle M, 최솟값을 m\displaystyle m이라 할 때 (M−m)2\displaystyle (M-m)^{2}의 값을 구하시오.[풀이]호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 두 선분 AP,BP\displaystyle \mathrm{AP},\mathrm{BP}로 둘러싸인 도형의 넓이는 모두 호 AB\displaystyle \mathrm{AB}와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}로 둘러싸인 도형의 넓이와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 밑변으로 하고 집합 C\displaystyle C의 한 점 P(cos⁡θ−1,sin⁡θ)\displaystyle \mathrm{P}(\cos\theta-1,\sin\theta)를 꼭짓점으로 하는 삼각형의 넓이의 합과 같다. 따라서 이 삼각형의 넓이가 최대일 때 구하는 넓이 S(θ)\displaystyle S(\theta)가 최대이고 삼각형의 넓이가 최소일 때 구하는 넓이도 최소이다.집합 C\displaystyle C의 점은 (x+1)2+y2=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=\cos^{2}\theta+\sin^{2}\theta=1으로 나타나는 원의 점이다. 집합 C\displaystyle C가 나타내는 원의 한 점과 문항 (1)에서 구한 직선과의 거리가 최대인 h1\displaystyle h_{1}일 때 넓이 S(θ)\displaystyle S(\theta)가 최대가 되고 거리가 최소인 h2\displaystyle h_{2}일 때 넓이 S(θ)\displaystyle S(\theta)가 최소가 된다. 따라서 S(θ)\displaystyle S(\theta)의 최댓값 M\displaystyle M과 최솟값 m\displaystyle m의 차 M−m\displaystyle M-m은 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 공통인 밑변으로 하고 높이가 h1\displaystyle h_{1}인 삼각형의 넓이와 높이가 h2\displaystyle h_{2}인 삼각형의 넓이의 차이므로M−m=12AB‾⋅h1−12AB‾⋅h2=12AB‾⋅(h1−h2)\displaystyle M-m=\frac{1}{2}\overline{\mathrm{AB}}\cdot h_{1}-\frac{1}{2}\overline{\mathrm{AB}}\cdot h_{2}=\frac{1}{2}\overline{\mathrm{AB}}\cdot(h_{1}-h_{2})이다. 직선 x+3y−(22+26)=0\displaystyle x+\sqrt{3}y-(2\sqrt{2}+2\sqrt{6})=0에서 원 (x+1)2+y2=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=1와의 거리가 최대 또는 최소가 되는 원 (x+1)2+y2=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=1 위의 점은 이 원과 기울기가 −13\displaystyle -\frac{1}{\sqrt{3}}인 접선이 만나는 두 점이다. 이 두 접선이 직선 x+3y−(22+26)=0\displaystyle x+\sqrt{3}y-(2\sqrt{2}+2\sqrt{6})=0에 평행하고 원 (x+1)2+y2=1\displaystyle (x+1)^{2}+y^{2}=1의 반지름이 1\displaystyle 1이므로 h1=h2+2⋅1=h2+2\displaystyle h_{1}=h_{2}+2\cdot1=h_{2}+2이다. 따라서 h1−h2=2\displaystyle h_{1}-h_{2}=2이다. 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 길이의 제곱이{22−(6−2)}2+{22−(6+2)}2=32−163\displaystyle \{2\sqrt{2}-(\sqrt{6}-\sqrt{2})\}^{2}+\{2\sqrt{2}-(\sqrt{6}+\sqrt{2})\}^{2}=32-16\sqrt{3}이므로 구하는 값은(M−m)2={12⋅AB‾⋅(h1−h2)}2={12⋅AB‾⋅2}2=AB‾2=32−163\displaystyle (M-m)^{2}=\left\{\frac{1}{2}\cdot\overline{\mathrm{AB}}\cdot(h_{1}-h_{2})\right\}^{2}=\left\{\frac{1}{2}\cdot\overline{\mathrm{AB}}\cdot2\right\}^{2}=\overline{\mathrm{AB}}^{2}=32-16\sqrt{3}이다.

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