[문제 3] 좌표평면 위의 네 점 O(0,0), A(1,0), B(1,1), C(0,1)을 꼭짓점으로 하는 정사각형에 대하여 다음의 규칙에 따라 정사각형의 변 위의 점을 차례로 정할 때, 아래 물음에 답하시오. (단, 정사각형의 꼭짓점도 변 위의 점이다.) [30점]
(가)원점 O를 첫 번째 점 P1로 정하고 선분 AB의 한 점을 두 번째 점 P2로 정한다. 이때 선분 P1P2를 포함하는 직선의 기울기를 m (0≤m≤1)이라 한다.
(나)만약 n (n>1)번째 점 Pn이 정사각형의 꼭짓점이면 점 Pn+1을 새로 정하지 않고 점 Pn을 끝점이라 한다.
(다)만약 n (n>1)번째 점 Pn이 끝점이 아니면 (n+1)번째 점 Pn+1은 선분 Pn−1Pn과 정사각형의 점 Pn을 포함하는 변이 이루는 각의 크기가 선분 PnPn+1과 정사각형의 점 Pn을 포함하는 변이 이루는 각의 크기가 같도록 정한다. (단, 점 Pn+1과 점 Pn−1은 같지 않다.)
(1)기울기 m=32에 대하여 위의 규칙에 따라 정해진 점들 Pn (n=1,2,3,⋯)을 모두 구하시오.
(2)201<m<1인 기울기 m에 대하여 규칙에 따라 정해진 점들이 꼭짓점 C를 제외한 선분 BC위에 있지 않고 꼭짓점 C(0,1)이 끝점이 된다. 조건을 만족시키는 기울기 m에 대하여 m1을 모두 더한 값을 구하시오.
이화여대 2026학년도 모의 자연계열 II 3번 · mathesis.kr/archive/ewha/2026mo/jayeon2_3
(1) 기울기 m=32에 대하여 위의 규칙에 따라 정해진 점들 Pn (n=1,2,3,⋯)을 모두 구하시오.풀이: 규칙에 따라 P1=(0,0)이다. 점 P2는 기울기 m=32이고 원점을 지나는 직선 y=32x과 직선 x=1의 교점이므로 P2=(1,32)이다. 점 P3은 선분 BC위의 점으로 기울기 m=−32이고 점 P2=(1,32)를 지나는 직선 y=−32(x−1)+32와 직선 y=1의 교점이므로 P3=(21,1)이다. 점 P4는 선분 CO위의 점으로 기울기 m=32이고 점 P3=(21,1)을 지나는 직선 y=32(x−21)+1와 y축의 교점이므로 P4=(0,32)이다. 점 P5는 선분 OA위의 점으로 기울기 m=−32이고 점 P4=(0,32)를 지나는 직선 y=−32x+32와 x축의 교점이므로 P5=(1,0)이다. P5=(1,0)가 꼭짓점 B이므로 끝점이다.Correction. 이 줄의 꼭짓점 B는 A의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서 구하는 점들은 P1=(0,0), P2=(1,32), P3=(21,1), P4=(0,32), P5=(1,0)이다.
(2) 201<m<1인 기울기 m에 대하여 규칙에 따라 정해진 점들이 꼭짓점 C를 제외한 선분 BC위에 있지 않고 꼭짓점 C(0,1)이 끝점이 된다. 조건을 만족시키는 기울기 m에 대하여 m1을 모두 더한 값을 구하시오.풀이: 주어진 규칙(다)에 따라 점을 정하는 과정은 홀수 번째 점을 지나는 기울기 m인 직선과 정사각형의 변의 다른 교점으로 다음 순서인 짝수 번째 점을 정하고, 짝수 번째 점을 지나는 기울기 −m인 직선과 정사각형의 변의 다른 교점으로 다음 순서인 홀수 번째 점을 결정한다. 규칙 (다)에서'만약 점 Pn이 끝점이 아니면 (n+1)번째 점 Pn+1을 선분 Pn−1Pn과 정사각형의 점 Pn을 포함하는 변이 이루는 각의 크기가 선분 PnPn+1과 정사각형의 점 Pn을 포함하는 변이 이루는 각의 크기가 같도록 정한다.'는 조건을 점 Pn을 포함하는 정사각형의 한 변에 대하여 대칭이동한 정사각형에 관한 조건으로 생각하면'기울기 m, −m을 교차로 사용하는 대신 같은 기울기 m에 대한 직선과 점 Pn을 포함하는 정사각형의 한 변에 대하여 대칭이동된 정사각형의 변의 교점을 구하고 이를 역으로 대칭 이동하여 점 Pn+1을 정한다.'로 바꾸어 활용할 수 있다.
[그림 2]
점 P1부터 차례로 n (n>1)번째 점 Pn이 정해졌을 때, 점 P2을 포함하는 변에 대하여 주어진 정사각형을 대칭이동하고 이동된 정사각형과 선 y=mx의 교점으로 P3에 대응하는 점을 정한다. 이렇게 이동된 정사각형과 점 P3에 대응하는 점에 대하여 이 대응점을 포함하는 변에 대하여 대칭이동하고 이 정사각형과 직선 y=mx의 교점으로 점 P4에 대응하는 점을 구한다. 이런 과정을 점 Pk (1≤k≤n−1)에 대응하는 정사각형과 변에 대하여 차례로 시행하면 처음 주어진 정사각형을 오른쪽 또는 위쪽으로 차례로 대칭 이동하며 (n−1)개의 정사각형을 차례로 얻을 수 있으며 구하는 점들은 직선 y=mx와 이들 정사각형들의 변의 교점에 대응한다. 이때 꼭짓점 C(0,1)이 이동될 수 있는 좌표평면의 점은 자연수 p,q (p≥q)에 대하여 (2p,2q−1)이다.꼭짓점 C(0,1)이 끝점이므로 꼭짓점 C(0,1)이 이동될 수 있는 점 (2p,2q−1)을 지나는 직선으로 점들이 정해진다. 이때 만약 2p와 2q−1이 서로소가 아니면 점 (2p,2q−1)이전에 끝점에 대응하는 점이 결정되어 점 (2p,2q−1)에 대응하는 점을 끝점으로 정할 수 없다. 따라서 점 (2p,2q−1)이 끝점에 대응하기 위하여 2p와 2q−1이 서로소이다.주어진 규칙에 따라 정해진 점들이 선분 BC의 점을 포함하지 않으므로 위쪽으로의 대칭이동 없이 오른쪽으로만의 대칭이동이 이루어진다. 따라서 꼭짓점 C(0,1)이 이동될 수 있는 (2p,2q−1)은 (2p,1)꼴이다.그러므로 꼭짓점 C를 제외한 선분 BC의 점을 포함하지 않고 꼭짓점 C(0,1)이 끝점이 되는 조건을 만족하며 C(0,1)이 이동되는 점은 (2p,1)꼴이며 이 점과 P1=(0,0)를 지나는 직선의 기울기 m=2p1이다. 자연수 2p,1이 서로소이므로 201<2p1<1을 만족하는 모든 자연수 p에 대하여 성립한다. 21<p<10이므로 구하는 값은p=1∑9(2p1)−1=2p=1∑9p=2⋅29(9+1)=90이다.
(3) 꼭짓점 C(0,1)가 끝점 P15이 되는 기울기 m을 모두 구하시오.풀이: 끝점 P15가 꼭짓점 C(0,1)이 되기 위해서는 Pk (1≤k≤14)은 모두 꼭짓점이 아닌 변 위에 존재하고 이 변들은 문항 (2)의 풀이와 같이 대칭에 활용된다.Correction.1≤k≤14는 2≤k≤14의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.꼭짓점 C(0,1)을 대칭 이동하여 도달할 수 있는 점은 자연수 p,q (p≥q)에 대하여 (2p,2q−1)의 꼴이며 2p와 2q−1이 서로소이다. 문항 (2)의 풀이와 주어진 정사각형을 오른쪽 또는 위로 대칭하여 (2p,2q−1)이 원점에서 가장 먼 점이 되려면 위로 2p−1번 대칭이동하고 오른쪽으로 2q−2번 대칭이동 해야 한다.Correction. 오른쪽으로 2p−1번, 위로 2q−2번 대칭이동한다. 두 방향이 서로 바뀌어 있다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.끝점 P15가 꼭짓점 C(0,1)이 되기 위해서는 총 13회 대칭 이동하여야 하므로 C(0,1)에 대응하는 점 (2p,2q−1)에 대하여 (2p−1)+(2q−2)=13를 만족한다. 따라서 p+q=8이므로 조건을 만족하는 자연수 p,q (p≥q)에 대응하는 점 (2p,2q−1)은(14,1),(12,3),(10,5),(8,7)이며 x좌표와 y좌표가 서로소인 것은 (14,1),(8,7)이므로 구하는 기울기는 141,87이다.