수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후) 1번

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문제

좌표평면에 점 P\displaystyle P와 원 C\displaystyle C가 있다. 점 P\displaystyle P에서 원 C\displaystyle C까지의 거리 d\displaystyle d는 P\displaystyle P와 C\displaystyle C 위의 점과의 거리 중에서 최솟값으로 정의한다.

점이 원의 바깥과 안쪽에 있을 때 원까지의 거리

(1-1) 중심이 점 A\displaystyle A이고 반지름이 r\displaystyle r인 원 C\displaystyle C가 있다. 점 P\displaystyle P에서 원 C\displaystyle C까지의 거리 d\displaystyle d를 PA‾\displaystyle \overline{PA}와 r\displaystyle r로 표현하시오. (5점)

(1-2) 두 원 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2가 다음과 같이 주어졌다.C1:(x+2)2+y2=25,C2:(x−2)2+y2=9\displaystyle C_1:(x+2)^2+y^2=25,\quad C_2:(x-2)^2+y^2=9원 C2\displaystyle C_2 위에 있거나 내부에 있는 점들 중에서 두 원 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2까지의 거리가 같은 점의 집합을 S\displaystyle S라 하자. S\displaystyle S로 둘러싸인 도형을 x\displaystyle x축 둘레로 회전시켜서 생기는 회전체의 부피를 구하시오. (15점)

해설강의 준비중
5 · (1-1)

(1-1) (5점) ∣PA‾−r∣\displaystyle |\overline{PA}-r| 혹은 {PA‾−r(P가 원 C 외부에 있을 때)r−PA‾(P가 원 C 내부에 있을 때)0(P가 원 C 위에 있을 때)\displaystyle \begin{cases}\overline{PA}-r&(P\text{가 원 }C\text{ 외부에 있을 때})\\r-\overline{PA}&(P\text{가 원 }C\text{ 내부에 있을 때})\\0&(P\text{가 원 }C\text{ 위에 있을 때})\end{cases}

15 · (1-2)

(1-2) (15점) 두 원 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2의 중심은 각각 A(−2,0)\displaystyle A(-2,0)와 B(2,0)\displaystyle B(2,0)이다. 원 C2\displaystyle C_2 위에 있거나 내부에 있으며 두 원 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2에서 거리가 같은 점을 P\displaystyle P라 하자. 문제(1-1)의 결과에 의해 다음과 같은 두 등식이 만들어진다.(i) P\displaystyle P가 원 C1\displaystyle C_1의 외부, 원 C2\displaystyle C_2의 내부에 있을 때,PA‾−5=3−PB‾⇔PA‾+PB‾=8\displaystyle \overline{PA}-5=3-\overline{PB}\quad\Leftrightarrow\quad\overline{PA}+\overline{PB}=8이다. 즉, A,B\displaystyle A,B를 두 초점으로 하고 거리의 합이 2a=8\displaystyle 2a=8로 일정한 타원이므로x216+y212=1\displaystyle \frac{x^2}{16}+\frac{y^2}{12}=1이다.(ii) P\displaystyle P가 원 C1\displaystyle C_1의 내부, 원 C2\displaystyle C_2의 내부에 있을 때,5−PA‾=3−PB‾⇔PA‾−PB‾=2\displaystyle 5-\overline{PA}=3-\overline{PB}\quad\Leftrightarrow\quad\overline{PA}-\overline{PB}=2이다. 즉, A,B\displaystyle A,B를 두 초점으로 하고 거리의 차가 2a=2\displaystyle 2a=2로 일정한 쌍곡선이므로x2−y23=1\displaystyle x^2-\frac{y^2}3=1이다.

두 원 사이에서 원까지의 거리가 같은 타원과 쌍곡선의 일부

두 원 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2의 교점 (x,y)=(2,3),(2,−3)\displaystyle (x,y)=(2,3),(2,-3)은 문제의 조건을 만족하고, (i)과 (ii)에서 구한 타원과 쌍곡선은 주어진 두 원 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2의 교점 (2,3)\displaystyle (2,3)을 지나므로, 구하는 회전체의 부피는 다음과 같다.V=π∫12y쌍2 dx+π∫24y타2 dx=3π∫12(x2−1) dx+12π∫24(1−116x2) dx=3π[13x3−x]12+12π[x−148x3]24=4π+10π=14π\displaystyle \begin{aligned}V&=\pi\int_1^2y_{\text{쌍}}^2\,dx+\pi\int_2^4y_{\text{타}}^2\,dx=3\pi\int_1^2(x^2-1)\,dx+12\pi\int_2^4\left(1-\frac1{16}x^2\right)\,dx\\&=3\pi\Biggl[\frac13x^3-x\Biggr]_1^2+12\pi\Biggl[x-\frac1{48}x^3\Biggr]_2^4=4\pi+10\pi=14\pi\end{aligned}

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