수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

오류 제보
해설강의 바로가기 ↓

문제

문제 1 (20점)

정사각형 종이의 한 변이 중심점 O\displaystyle O와 접하도록 여러 번 접었다 펴면, 접힌 자국이 없는 영역과 그 경계를 이루는 곡선이 생긴다. (<그림 1>)

정사각형 종이의 변 ℓ1\displaystyle \ell_{1}이 중심점 O\displaystyle O와 접하도록 접고 ℓ1\displaystyle \ell_{1} 위의 점 O\displaystyle O에서 ℓ1\displaystyle \ell_{1}에 수직인 직선 ℓ2\displaystyle \ell_{2}를 그으면, 직선 ℓ2\displaystyle \ell_{2}와 접힌 선 ℓ3\displaystyle \ell_{3}이 만나는 점 P\displaystyle P가 경계 곡선 위의 점이 되는 것이 알려져 있다. (<그림 2>)

<그림 1>은 정사각형 종이의 한 변을 중심점 O에 닿도록 접은 모습, 편 뒤 남은 접힌 자국, 그리고 여러 번 접어 생긴 자국들이 포물선 모양의 경계를 이루는 모습. <그림 2>는 변 ℓ₁을 O에 닿도록 접었을 때 O에서 ℓ₁에 수직인 직선 ℓ₂와 접힌 선 ℓ₃이 만나는 점 P, 그리고 그 P들이 그리는 곡선.

(1) 중심점 O\displaystyle O를 좌표평면의 원점에 두고 직선 y=−1\displaystyle y=-1에 변을 가지는 종이의 아래쪽을 <그림 1>과 같은 방법으로 접어서 얻는 곡선이 포물선이 되는 이유를 설명하고, 이 포물선의 준선과 초점을 구하시오.

(2) 중심점 O\displaystyle O를 좌표평면의 원점에 두고 직선 x=1\displaystyle x=1, x=−1\displaystyle x=-1, y=1\displaystyle y=1, y=−1\displaystyle y=-1에 네 변을 가지는 정사각형 모양 종이에서, 네 변 각각에 대해 제시문과 같은 방법으로 곡선을 만들었을 때 곡선에 해당하는 식을 모두 구하시오.

(3) 문항 (2)에서 접힌 자국이 없는 영역 R\displaystyle R가 아래의 그림과 같이 생성될 때, 이 영역의 넓이를 구하시오.

정사각형 종이를 네 변 모두에 대해 접었을 때 생기는 접힌 자국들과, 그 자국이 닿지 않아 가운데에 남는 둥근 사각형 모양의 영역 R.

논술 이차곡선과 종이접기

관련 개념강의 준비중
5점 만점 · 포물선이 되는 이유를 설명함 (3점) 준선을 구함 (1점) 초점을 구함 (1점)

(1) 종이를 접을 때 원점 O\displaystyle O로 옮겨지는 아랫변 위의 점을 H\displaystyle H라 하자.접는 선은 선분 OH\displaystyle OH의 수직이등분선이다.점 H\displaystyle H에서 아랫변에 수직으로 그은 직선과 접는 선의 교점을 P\displaystyle P라 하면PO=PH\displaystyle PO=PH이므로, 점 P\displaystyle P는 초점이 O(0,0)\displaystyle O(0,0)이고 준선이 y=−1\displaystyle y=-1인 포물선 위에 있다.

초점 O와 준선 위의 H를 접는 선에 대해 대칭시킨 그림. H에서 준선에 세운 수선과 접는 선이 P에서 만나며 PO=PH이다. 금색 접는 선은 P에서 포물선에 접한다.

이제 접는 선이 이 포물선의 접선임을 확인하자.H=(t,−1)\displaystyle H=(t,-1)이라 하면, 접는 선 위의 점 (x,y)\displaystyle (x,y)는 원점 O\displaystyle O와 점 H\displaystyle H까지의 거리가 같으므로x2+y2=(x−t)2+(y+1)2\displaystyle x^{2}+y^{2}=(x-t)^{2}+(y+1)^{2}따라서 접는 선의 방정식은y=tx−t2+12\displaystyle y=tx-\frac{t^{2}+1}{2}이다.

한편 위 포물선의 방정식은 y=f(x)=x2−12\displaystyle y=f(x)=\frac{x^{2}-1}{2}이고,P=(t,t2−12),f′(t)=t\displaystyle P=\left(t,\frac{t^{2}-1}{2}\right),\qquad f^{\prime}(t)=t이므로 P\displaystyle P에서의 접선은y−t2−12=t(x−t)\displaystyle y-\frac{t^{2}-1}{2}=t(x-t)이다. 이는 접는 선의 방정식과 일치한다.또한 포물선과 접는 선의 높이 차는x2−12−(tx−t2+12)=(x−t)22≥0\displaystyle \frac{x^{2}-1}{2}-\left(tx-\frac{t^{2}+1}{2}\right)=\frac{(x-t)^{2}}{2}\ge0이며 등호는 x=t\displaystyle x=t일 때만 성립한다.따라서 접는 선은 포물선 아래에 놓이면서 P\displaystyle P에서 접한다. 접는 위치를 바꾸면 접점 P\displaystyle P가 이 포물선 위를 움직이므로, 접힌 자국이 없는 쪽의 경계는 이 포물선의 일부가 된다.준선은 y=−1\displaystyle y=-1, 초점은 O(0,0)\displaystyle O(0,0)이다.

8점 만점 · 각 포물선의 식을 구함 (각 포물선 마다 2점)

(2) 초점이 원점이고 준선이 y=−1\displaystyle y=-1인 포물선은x2+y2=∣y+1∣⟹x2=2y+1\displaystyle \sqrt{x^{2}+y^{2}}=|y+1|\quad\Longrightarrow\quad x^{2}=2y+1이다. 나머지 세 변에 대해서도 같은 방법을 적용하면y=−1:x2=2y+1,y=1:x2=−2y+1,x=−1:y2=2x+1,x=1:y2=−2x+1\displaystyle \begin{aligned}y=-1 &: \quad x^{2}=2y+1,\\ y=1 &: \quad x^{2}=-2y+1,\\ x=-1 &: \quad y^{2}=2x+1,\\ x=1 &: \quad y^{2}=-2x+1\end{aligned}을 얻는다.

7점 만점 · 적분구간을 포함하여 넓이를 구하는 계산식을 정확히 구함 (3점) 정적분을 이용하여 넓이를 구함 (4점)

(3) 영역 R\displaystyle R는 두 좌표축과 직선 y=x\displaystyle y=x, y=−x\displaystyle y=-x에 대하여 대칭이다.따라서 아래쪽 포물선 y=x2−12\displaystyle y=\frac{x^{2}-1}{2}, 직선 y=x\displaystyle y=x, y\displaystyle y축으로 둘러싸인 부분의 넓이에 8\displaystyle 8을 곱하면 된다.포물선과 직선 y=x\displaystyle y=x의 제3사분면 교점은x2−2x−1=0⟹x=y=1−2\displaystyle x^{2}-2x-1=0\quad\Longrightarrow\quad x=y=1-\sqrt{2}이다. 이 구간에서는 직선이 포물선보다 위에 있으므로, 구하는 넓이는8∫1−20(x−x2−12)dx=8[−x36+x22+x2]1−20=162−203\displaystyle \begin{aligned}8\int_{1-\sqrt{2}}^{0}\left(x-\frac{x^{2}-1}{2}\right)dx&=8\Biggl[-\frac{x^{3}}{6}+\frac{x^{2}}{2}+\frac{x}{2}\Biggr]_{1-\sqrt{2}}^{0}\\&=\frac{16\sqrt{2}-20}{3}\end{aligned}이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.