수리논술, 이게 다다.

자연계열 2-3번

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문제

오른쪽 그림과 같이 길이 4\displaystyle 4인 선분 AB가 지름인 반원의 호 위에 두 점 P,Q\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q}가 있다. 선분 PQ는 선분 AB와 점 R에서 접하는 작은 반원의 지름이다.점 R이 점 A에서 점 B까지 선분 AB 위에서 움직일 때, 선분 PQ의 중점 O가 이루는 곡선과 선분 AB로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오.

지름 AB의 길이가 4인 큰 반원. 호 위의 두 점 P, Q를 잇는 선분 PQ가 작은 반원의 지름이고, 그 작은 반원이 선분 AB와 점 R에서 접한다. 점 O는 선분 PQ의 중점이다.

심화 타원의 넓이

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+15점 · 도형의 둘레가 되는 곡선을 그래프로 하는 함수를 구했는가?

오른쪽 그림과 같이 지름의 양 끝점 A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}가 각각 (−2,0)\displaystyle (-2,0), (2,0)\displaystyle (2,0)이고 호가 x\displaystyle x축 위쪽에 있도록 반원을 좌표평면에 두자.두 점 P\displaystyle \mathrm{P}, Q\displaystyle \mathrm{Q}를 각각 (a,b)\displaystyle (a,b), (c,d)\displaystyle (c,d)라 하고, 선분 PQ의 중점 O를 (x,y)\displaystyle (x,y)라 하면,a2+b2=4,c2+d2=4,a+c2=x,b+d2=y,\displaystyle a^{2}+b^{2}=4,\quad c^{2}+d^{2}=4,\quad \frac{a+c}{2}=x,\quad \frac{b+d}{2}=y,(a−c)2+(b−d)2=(2y)2\displaystyle \sqrt{(a-c)^{2}+(b-d)^{2}}=(2y)^{2}Correction. 대학 예시답안의 (a−c)2+(b−d)2=(2y)2\displaystyle \sqrt{(a-c)^{2}+(b-d)^{2}}=(2y)^{2}에서 좌변은 선분 PQ의 길이이므로, 우변은 2y\displaystyle 2y여야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이 성립한다.

예시답안의 좌표평면 그림. A(-2, 0), B(2, 0)을 지름의 양 끝으로 하는 큰 반원 위에 P(a, b), Q(c, d)가 있고, 선분 PQ의 중점 O(x, y)에서 x축 위의 점 R까지 수직으로 선분이 그어져 있다.

a,b,c,d\displaystyle a,b,c,d를 소거하고, y\displaystyle y에 대해 정리하면 y=124−x2\displaystyle y=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{4-x^{2}}이다. 따라서 구하는 도형은 곡선 y=124−x2\displaystyle y=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{4-x^{2}} 과 선분 AB로 둘러싸인 도형이다 (이때 −2≤x≤2\displaystyle -2\le x\le 2이고 0≤y≤2\displaystyle 0\le y\le\sqrt{2}이다).

+15점 · 도형의 넓이를 구했는가?

이 도형의 넓이는 12∫−224−x2 dx\displaystyle \frac{1}{\sqrt{2}}\int_{-2}^{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx 이고, ∫−224−x2 dx\displaystyle \int_{-2}^{2}\sqrt{4-x^{2}}\,dx 는 반지름 2\displaystyle 2인 반원의 넓이이므로 2π\displaystyle 2\pi이므로, 구하는 도형의 넓이는 12×2π=2π\displaystyle \frac{1}{\sqrt{2}}\times 2\pi=\sqrt{2}\pi이다.

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