수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문 <가>와 <나>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 아래 [그림 1]과 같이 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원 x2+y2=r2\displaystyle x^2+y^2=r^2 위의 임의의 점 D1\displaystyle \mathrm{D}_1에서 y\displaystyle y축에 평행하게 그은 직선이 원과 만나는 다른 점을 D2\displaystyle \mathrm{D}_2라 하자. 원과 x\displaystyle x축과의 두 교점을 A1(−r,0)\displaystyle \mathrm{A}_1(-r,0)과 A2(r,0)\displaystyle \mathrm{A}_2(r,0)이라 하고, 직선 A1D1\displaystyle \mathrm{A}_1\mathrm{D}_1과 A2D2\displaystyle \mathrm{A}_2\mathrm{D}_2가 점 P(x,y)\displaystyle \mathrm{P}(x,y)에서 만난다. 이때, ∠D1OA2=θ\displaystyle \angle\mathrm{D}_1\mathrm{OA}_2=\theta이다. 점 P(x,y)\displaystyle \mathrm{P}(x,y)가 그리는 곡선은 [그림 2]와 같이 초점이 F1(−c,0)\displaystyle \mathrm{F}_1(-c,0)과 F2(c,0)\displaystyle \mathrm{F}_2(c,0)인 쌍곡선이다. 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서 쌍곡선에 접하는 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 M\displaystyle \mathrm{M}이라 하고, ∠F1PM=α\displaystyle \angle\mathrm{F}_1\mathrm{PM}=\alpha라 하자. (단, c=2r\displaystyle c=\sqrt2r)

[그림 1] 원 위의 두 점과 교점 P, [그림 2] 쌍곡선의 접선과 초점

<나> 탄젠트함수의 덧셈정리tan⁡(a+b)=tan⁡a+tan⁡b1−tan⁡atan⁡b\displaystyle \tan(a+b)=\frac{\tan a+\tan b}{1-\tan a\tan b}tan⁡(a−b)=tan⁡a−tan⁡b1+tan⁡atan⁡b\displaystyle \tan(a-b)=\frac{\tan a-\tan b}{1+\tan a\tan b}

1-1. 직선 A1D1\displaystyle \mathrm{A}_1\mathrm{D}_1의 방정식, A2D2\displaystyle \mathrm{A}_2\mathrm{D}_2의 방정식, 점 P(x,y)\displaystyle \mathrm{P}(x,y)를 각각 [그림 1]의 θ\displaystyle \theta로 나타내어라. [10점]

1-2. [그림 2]의 직선 PF1\displaystyle \mathrm{PF}_1, PM\displaystyle \mathrm{PM}의 기울기를 각각 [그림 1]의 θ\displaystyle \theta로 나타내어라. [15점]

1-3. [그림 2]의 tan⁡α\displaystyle \tan\alpha를 [그림 1]의 θ\displaystyle \theta로 나타내어라. [15점]

해설강의 준비중

1-1.직선 A1D1\displaystyle \mathrm{A}_1\mathrm{D}_1는 A1(−r,0)\displaystyle \mathrm{A}_1(-r,0)와 D1(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\displaystyle \mathrm{D}_1(r\cos\theta,r\sin\theta)를 지나는 직선의 식 :y=sin⁡θ(cos⁡θ+1)(x+r)\displaystyle y=\frac{\sin\theta}{(\cos\theta+1)}(x+r)직선 A2D2\displaystyle \mathrm{A}_2\mathrm{D}_2는 A2(r,0)\displaystyle \mathrm{A}_2(r,0)와 D2(rcos⁡θ,−rsin⁡θ)\displaystyle \mathrm{D}_2(r\cos\theta,-r\sin\theta)를 지나는 직선의 식 :y=−sin⁡θ(cos⁡θ−1)(x−r)\displaystyle y=\frac{-\sin\theta}{(\cos\theta-1)}(x-r)두 직선의 교점은 sin⁡θ(cos⁡θ+1)(x+r)=−sin⁡θ(cos⁡θ−1)(x−r)\displaystyle \frac{\sin\theta}{(\cos\theta+1)}(x+r)=\frac{-\sin\theta}{(\cos\theta-1)}(x-r) 이므로점 P(x,y)\displaystyle P(x,y)를 각각 나타내면,x=rsec⁡θ\displaystyle x=r\sec\thetay=rtan⁡θ\displaystyle y=r\tan\theta

1-2.c=2r\displaystyle c=\sqrt2r이고, F1(−2r,0)\displaystyle F_1(-\sqrt2r,0), P(rsec⁡θ,rtan⁡θ)\displaystyle P(r\sec\theta,r\tan\theta) 이므로,∠PF1M=t1\displaystyle \angle\mathrm{PF}_1\mathrm{M}=t_1, ∠PMF2=t2\displaystyle \angle\mathrm{PMF}_2=t_2라 할 때,직선 PF1\displaystyle \mathrm{PF}_1의 기울기 tan⁡t1=tan⁡θsec⁡θ+2=sin⁡θ1+2cos⁡θ\displaystyle \tan t_1=\frac{\tan\theta}{\sec\theta+\sqrt2}=\frac{\sin\theta}{1+\sqrt2\cos\theta} 이다.

직선 PM\displaystyle PM의 기울기는 접선의 기울기 이므로tan⁡t2=dydx=dy/dθdx/dθ=rsec⁡2θrsec⁡θtan⁡θ=sec⁡θtan⁡θ=1sin⁡θ=csc⁡θ\displaystyle \tan t_2=\frac{dy}{dx}=\frac{dy/d\theta}{dx/d\theta}=\frac{r\sec^2\theta}{r\sec\theta\tan\theta}=\frac{\sec\theta}{\tan\theta}=\frac1{\sin\theta}=\csc\theta

1-3.tan⁡α=tan⁡(t1−t2)=tan⁡t1−tan⁡t21+tan⁡t1tan⁡t2=1sin⁡θ−sin⁡θ1+2cos⁡θ1+1sin⁡θ×sin⁡θ1+2cos⁡θ=12tan⁡θ\displaystyle \begin{aligned}\tan\alpha=\tan(t_1-t_2)&=\frac{\tan t_1-\tan t_2}{1+\tan t_1\tan t_2}=\frac{\frac1{\sin\theta}-\frac{\sin\theta}{1+\sqrt2\cos\theta}}{1+\frac1{\sin\theta}\times\frac{\sin\theta}{1+\sqrt2\cos\theta}}\\&=\frac1{\sqrt2\tan\theta}\end{aligned}Correction. 그림의 예각은 α=t2−t1\displaystyle \alpha=t_2-t_1이므로 탄젠트의 분자는 tan⁡t2−tan⁡t1\displaystyle \tan t_2-\tan t_1이어야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

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