+3점 · D Q ‾ \displaystyle \overline{DQ} D Q 의 길이를 계산하여 함수 f ( t ) \displaystyle f(t) f ( t ) 를 찾을 수 있다. [논제 Ⅰ-1] (1) 두 원이 접하는 점을 E \displaystyle \mathrm{E} E 라 하면, 원점 O \displaystyle \mathrm{O} O , 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 와 점 E \displaystyle \mathrm{E} E 가 한 직선 위에 있다. C E ‾ = t \displaystyle \overline{\mathrm{CE}} = t CE = t 이므로 O C ‾ = 1 − t \displaystyle \overline{\mathrm{OC}} = 1 - t OC = 1 − t 이다. 따라서 A C ‾ 2 = O C ‾ 2 − O A ‾ 2 = ( 1 − t ) 2 − t 2 = 1 − 2 t \displaystyle {\overline{\mathrm{AC}}}^{2} = {\overline{\mathrm{OC}}}^{2} - {\overline{\mathrm{OA}}}^{2} = ( 1 - t )^{2} - t^{2} = 1 - 2 t AC 2 = OC 2 − OA 2 = ( 1 − t ) 2 − t 2 = 1 − 2 t 이다.D Q ‾ = A Q ‾ − A C ‾ − C D ‾ \displaystyle \overline{DQ}=\overline{AQ}-\overline{AC}-\overline{CD} D Q = A Q − A C − C D 이므로, f ( t ) = 1 − t 2 − 1 − 2 t − t \displaystyle f(t)=\sqrt{1-t^2}-\sqrt{1-2t}-t f ( t ) = 1 − t 2 − 1 − 2 t − t 이다.
+7점 · t = 0 \displaystyle t=0 t = 0 에서의 f ( t ) t 3 \displaystyle \frac{f(t)}{t^3} t 3 f ( t ) 의 우극한을 계산할 수 있다. lim t → 0 + f ( t ) t 3 = lim t → 0 + 1 − t 2 − ( 1 − 2 t + t ) t 3 = lim t → 0 + − 2 ( t − 1 + 1 − 2 t ) t 2 ( 1 − t 2 + 1 − 2 t + t ) = lim t → 0 + − 2 ( 1 − t 2 + 1 − 2 t + t ) ( t − 1 − 1 − 2 t ) = 1 2 \displaystyle \begin{aligned}\lim_{t\to0+}\frac{f(t)}{t^3}&=\lim_{t\to0+}\frac{\sqrt{1-t^2}-(\sqrt{1-2t}+t)}{t^3}=\lim_{t\to0+}\frac{-2(t-1+\sqrt{1-2t})}{t^2(\sqrt{1-t^2}+\sqrt{1-2t}+t)}\\&=\lim_{t\to0+}\frac{-2}{(\sqrt{1-t^2}+\sqrt{1-2t}+t)(t-1-\sqrt{1-2t})}=\frac12\end{aligned} t → 0 + lim t 3 f ( t ) = t → 0 + lim t 3 1 − t 2 − ( 1 − 2 t + t ) = t → 0 + lim t 2 ( 1 − t 2 + 1 − 2 t + t ) − 2 ( t − 1 + 1 − 2 t ) = t → 0 + lim ( 1 − t 2 + 1 − 2 t + t ) ( t − 1 − 1 − 2 t ) − 2 = 2 1
+3점 · 최대가 되려면 이웃하는 원들끼리 접해야 함을 관찰한다. (2) t \displaystyle t t 가 최대가 되려면 이웃하는 원들끼리 접해야 한다. 따라서 N \displaystyle N N 개의 원들의 지름의 합은 2 N t \displaystyle 2Nt 2 N t 가 되는데, 이는 P Q ‾ − 2 D Q ‾ \displaystyle \overline{PQ}-2\overline{DQ} P Q − 2 D Q 와 같아야 한다. 즉, P Q ‾ − 2 D Q ‾ = 2 N t \displaystyle \overline{PQ}-2\overline{DQ}=2Nt P Q − 2 D Q = 2 N t 를 만족한다. P Q ‾ = 2 1 − t 2 \displaystyle \overline{PQ}=2\sqrt{1-t^2} P Q = 2 1 − t 2 이고, [논제 Ⅰ-1](1)번의 풀이에서 D Q ‾ = 1 − t 2 − 1 − 2 t − t \displaystyle \overline{DQ}=\sqrt{1-t^2}-\sqrt{1-2t}-t D Q = 1 − t 2 − 1 − 2 t − t 이므로, 1 − 2 t + t = N t \displaystyle \sqrt{1-2t}+t=Nt 1 − 2 t + t = N t 가 된다.
+7점 · t \displaystyle t t 와 N \displaystyle N N 의 관계를 방정식으로 만들어서 t \displaystyle t t 를 N \displaystyle N N 에 관해서 구할 수 있다. 1 − 2 t = ( N − 1 ) t \displaystyle \sqrt{1-2t}=(N-1)t 1 − 2 t = ( N − 1 ) t 에서 양변을 제곱하여 정리하면, ( N − 1 ) 2 t 2 + 2 t − 1 = 0 \displaystyle (N-1)^2t^2+2t-1=0 ( N − 1 ) 2 t 2 + 2 t − 1 = 0 이고 t > 0 \displaystyle t>0 t > 0 이므로 t = − 1 + 1 + ( N − 1 ) 2 ( N − 1 ) 2 \displaystyle t=\frac{-1+\sqrt{1+(N-1)^2}}{(N-1)^2} t = ( N − 1 ) 2 − 1 + 1 + ( N − 1 ) 2 이다.
+8점 · 선분 P k Q k \displaystyle P_kQ_k P k Q k 에 중심이 있는 원들의 최대 개수 a k \displaystyle a_k a k 를 설명할 수 있다. [논제 Ⅰ-2] (1) ( 0 , k n ) \displaystyle \left( 0 , \frac{k}{n} \right) ( 0 , n k ) 를 점 A k \displaystyle {\mathrm{A}}_{k} A k 라 하자. 선분 P k Q k \displaystyle {\mathrm{P}}_{k} {\mathrm{Q}}_{k} P k Q k 에 중심이 있고 반지름이 1 n \displaystyle \frac{1}{n} n 1 인 원들 중에서 가장 오른쪽에 있는 원을 S 2 \displaystyle S_{2} S 2 라 하고, 원 S 2 \displaystyle S_{2} S 2 가 원 S \displaystyle S S 와 접한다고 하자. 원 S 2 \displaystyle S_{2} S 2 의 중심을 C \displaystyle \mathrm{C} C 라 하고, 선분 C Q k \displaystyle {\mathrm{CQ}}_{k} CQ k 와 만나는 점을 D \displaystyle \mathrm{D} D 라 하면, A k C ‾ 2 = O C ‾ 2 − O A k ‾ 2 = ( 1 − 1 n ) 2 − ( k n ) 2 = ( n − 1 ) 2 − k 2 n 2 \displaystyle \overline{A_kC}^{\,2}=\overline{OC}^{\,2}-\overline{OA_k}^{\,2}=\left(1-\frac1n\right)^2-\left(\frac kn\right)^2=\frac{(n-1)^2-k^2}{n^2} A k C 2 = O C 2 − O A k 2 = ( 1 − n 1 ) 2 − ( n k ) 2 = n 2 ( n − 1 ) 2 − k 2 이므로, A k C ‾ = ( n − 1 ) 2 − k 2 n \displaystyle \overline{{\mathrm{A}}_{k} {\mathrm{C}}} = \frac{{\sqrt{( n - 1 )^{2} - k^{2}}}}{n} A k C = n ( n − 1 ) 2 − k 2 이다. 따라서 선분 P k Q k \displaystyle {\mathrm{P}}_{k} {\mathrm{Q}}_{k} P k Q k 에 중심이 있는 원들이 움직일 수 있는 선분의 길이는 2 A k D ‾ = 2 ( A k C ‾ + 1 n ) \displaystyle 2 \overline{{\mathrm{A}}_{k} {\mathrm{D}}} = 2 \left( \overline{{\mathrm{A}}_{k} {\mathrm{C}}} + \frac{1}{n} \right) 2 A k D = 2 ( A k C + n 1 ) 이므로, 2 n \displaystyle \frac{2}{n} n 2 로 나누면, ( n − 1 ) 2 − k 2 + 1 \displaystyle \sqrt{( n - 1 )^{2} - k^{2}} + 1 ( n − 1 ) 2 − k 2 + 1 이 되기 때문에, a k \displaystyle a_{k} a k 는 ( n − 1 ) 2 − k 2 + 1 \displaystyle \sqrt{( n - 1 )^{2} - k^{2}} + 1 ( n − 1 ) 2 − k 2 + 1 보다 작거나 같고, ( n − 1 ) 2 − k 2 \displaystyle \sqrt{( n - 1 )^{2} - k^{2}} ( n − 1 ) 2 − k 2 보다 큰 자연수이다.
+4점 · a k \displaystyle a_k a k 의 크기를 이용하여 a n − 4 = 8 \displaystyle a_{n-4}=8 a n − 4 = 8 이 되는 n \displaystyle n n 의 최댓값을 구할 수 있다. k = n − 4 \displaystyle k = n - 4 k = n − 4 이면, ( n − 1 ) 2 − ( n − 4 ) 2 = 6 n − 15 \displaystyle \sqrt{( n - 1 )^{2} - ( n - 4 )^{2}} = \sqrt{6 n - 15} ( n − 1 ) 2 − ( n − 4 ) 2 = 6 n − 15 이므로, 6 n − 15 \displaystyle \sqrt{6 n - 15} 6 n − 15 가 8 \displaystyle 8 8 보다 작은 자연수 n \displaystyle n n 을 구하면 된다. g ( x ) = 6 x − 15 \displaystyle g ( x ) = \sqrt{6 x - 15} g ( x ) = 6 x − 15 라 하면, g ( x ) \displaystyle g ( x ) g ( x ) 는 증가함수이고, g ( 79 6 ) = 8 \displaystyle g \left( \frac{79}{6} \right) = 8 g ( 6 79 ) = 8 이므로, n < 79 6 \displaystyle n < \frac{79}{6} n < 6 79 이다. n \displaystyle n n 은 자연수이기 때문에, 가장 큰 자연수 n \displaystyle n n 은 13 \displaystyle 13 13 이 된다.
+2점 · 이웃하는 모든 원들이 한 점에서 만나는 경우, a k \displaystyle a_k a k 의 값을 계산할 수 있다. (2) 이웃하는 모든 원들이 한 점에서 만나면, [논제 Ⅰ-2] (1)에서 얻은 ( n − 1 ) 2 − k 2 + 1 \displaystyle \sqrt{( n - 1 )^{2} - k^{2}} + 1 ( n − 1 ) 2 − k 2 + 1 이 자연수이다.
+6점 · n = 11 \displaystyle n=11 n = 11 인 경우, a k \displaystyle a_k a k 가 자연수가 되는 k \displaystyle k k 를 구할 수 있다. 즉, n = 11 \displaystyle n = 11 n = 11 이면, 10 2 − k 2 + 1 \displaystyle \sqrt{10^{2} - k^{2}} + 1 1 0 2 − k 2 + 1 가 자연수가 되는 정수 k \displaystyle k k 는 0 \displaystyle 0 0 , 6 \displaystyle 6 6 또는 8 \displaystyle 8 8 에서 자연수가 되고, 각각 그 때의 원들의 개수는 11 \displaystyle 11 11 개, 9 \displaystyle 9 9 개, 7 \displaystyle 7 7 개가 된다.
+4점 · 선택한 원을 중심이 y \displaystyle y y 축에 있도록 평행이동하여 A ( x ) \displaystyle A(x) A ( x ) 를 구할 수 있다. (3) 모든 원의 크기가 같기 때문에 선택한 원을 평행이동하여 x 2 + ( y − n − m n ) 2 = 1 n 2 \displaystyle x^2+\left(y-\frac{n-m}{n}\right)^2=\frac1{n^2} x 2 + ( y − n n − m ) 2 = n 2 1 라 할 수 있다. ( x , 0 ) \displaystyle (x,0) ( x , 0 ) 으로부터 y \displaystyle y y 축에 평행한 직선을 그렸을 때, y \displaystyle y y 좌표가 더 큰 점까지의 거리는 n − m n + 1 n 2 − x 2 \displaystyle \frac{n-m}{n}+\sqrt{\frac1{n^2}-x^2} n n − m + n 2 1 − x 2 이므로, A ( x ) \displaystyle A(x) A ( x ) 는 ( n − m n + 1 n 2 − x 2 ) 2 \displaystyle \left(\frac{n-m}{n}+\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\right)^2 ( n n − m + n 2 1 − x 2 ) 2 가 된다. 닫힌 구간 [ p , p + 3 q 4 ] \displaystyle \left[p,\frac{p+3q}{4}\right] [ p , 4 p + 3 q ] 를 위와 같이 평행이동하면 x \displaystyle x x 의 범위는 [ − 1 n , 1 2 n ] \displaystyle \left[-\frac1n,\frac1{2n}\right] [ − n 1 , 2 n 1 ] 가 된다. 따라서 입체도형의 부피 V n \displaystyle V_n V n 은
+8점 · A ( x ) \displaystyle A(x) A ( x ) 를 이용하여 V n \displaystyle V_n V n 을 정확히 계산할 수 있다. V n = ∫ − 1 n 1 2 n ( n − m n + 1 n 2 − x 2 ) 2 d x = ∫ − 1 n 1 2 n ( ( n − m ) 2 + 1 n 2 − x 2 + 2 ( n − m ) n 1 n 2 − x 2 ) d x = 12 ( n − m ) 2 + 9 8 n 3 + 2 ( n − m ) n ∫ − 1 n 1 2 n 1 n 2 − x 2 d x \displaystyle \begin{aligned}V_n&=\int_{-\frac1n}^{\frac1{2n}}\left(\frac{n-m}{n}+\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\right)^2\,dx=\int_{-\frac1n}^{\frac1{2n}}\left(\frac{(n-m)^2+1}{n^2}-x^2+\frac{2(n-m)}n\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\right)dx\\&=\frac{12(n-m)^2+9}{8n^3}+\frac{2(n-m)}n\int_{-\frac1n}^{\frac1{2n}}\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\,dx\end{aligned} V n = ∫ − n 1 2 n 1 ( n n − m + n 2 1 − x 2 ) 2 d x = ∫ − n 1 2 n 1 ( n 2 ( n − m ) 2 + 1 − x 2 + n 2 ( n − m ) n 2 1 − x 2 ) d x = 8 n 3 12 ( n − m ) 2 + 9 + n 2 ( n − m ) ∫ − n 1 2 n 1 n 2 1 − x 2 d x 이다.여기에서 적분값 ∫ − 1 n 1 2 n 1 n 2 − x 2 d x \displaystyle \int_{-\frac1n}^{\frac1{2n}}\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\,dx ∫ − n 1 2 n 1 n 2 1 − x 2 d x 은 반원 y = 1 n 2 − x 2 \displaystyle y=\sqrt{\frac1{n^2}-x^2} y = n 2 1 − x 2 과 x \displaystyle x x 축, x = 1 2 n \displaystyle x=\frac1{2n} x = 2 n 1 로 둘러싸인 영역의 넓이와 같다. 이는 부채꼴과 직각삼각형의 넓이의 합으로 계산하면 된다. 중심각이 2 π 3 \displaystyle \frac{2\pi}3 3 2 π 인 부채꼴의 넓이는 1 2 × 1 n 2 × 2 π 3 = π 3 n 2 \displaystyle \frac12\times\frac1{n^2}\times\frac{2\pi}3=\frac\pi{3n^2} 2 1 × n 2 1 × 3 2 π = 3 n 2 π 이고, 직각삼각형의 넓이는 1 2 × 1 2 n × 1 n 2 − 1 4 n 2 = 3 8 n 2 \displaystyle \frac12\times\frac1{2n}\times\sqrt{\frac1{n^2}-\frac1{4n^2}}=\frac{\sqrt3}{8n^2} 2 1 × 2 n 1 × n 2 1 − 4 n 2 1 = 8 n 2 3 이므로 ∫ − 1 n 1 2 n 1 n 2 − x 2 d x = π 3 n 2 + 3 8 n 2 = 8 π + 3 3 24 n 2 \displaystyle \int_{-\frac1n}^{\frac1{2n}}\sqrt{\frac1{n^2}-x^2}\,dx=\frac\pi{3n^2}+\frac{\sqrt3}{8n^2}=\frac{8\pi+3\sqrt3}{24n^2} ∫ − n 1 2 n 1 n 2 1 − x 2 d x = 3 n 2 π + 8 n 2 3 = 24 n 2 8 π + 3 3 이다. 따라서 V n = 12 ( n − m ) 2 + 9 8 n 3 + 2 ( 8 π + 3 3 ) ( n − m ) 24 n 3 = 3 2 n + α n 2 + β n 3 \displaystyle V_n=\frac{12(n-m)^2+9}{8n^3}+\frac{2(8\pi+3\sqrt3)(n-m)}{24n^3}=\frac3{2n}+\frac\alpha{n^2}+\frac\beta{n^3} V n = 8 n 3 12 ( n − m ) 2 + 9 + 24 n 3 2 ( 8 π + 3 3 ) ( n − m ) = 2 n 3 + n 2 α + n 3 β 로 놓으면 상수 α \displaystyle \alpha α 와 β \displaystyle \beta β 는 α = − 36 m + ( 8 π + 3 3 ) 12 \displaystyle \alpha=\frac{-36m+(8\pi+3\sqrt3)}{12} α = 12 − 36 m + ( 8 π + 3 3 ) 이고, β = 36 m 2 − 2 m ( 8 π + 3 3 ) + 27 24 \displaystyle \beta=\frac{36m^2-2m(8\pi+3\sqrt3)+27}{24} β = 24 36 m 2 − 2 m ( 8 π + 3 3 ) + 27 이다.
+8점 · n a n − m V n \displaystyle \sqrt n a_{n-m}V_n n a n − m V n 이 만족하는 부등식을 이용하여 수열 { n a n − m V n } \displaystyle \{\sqrt n a_{n-m}V_n\} { n a n − m V n } 이 수렴함을 보이고, 수렴값을 계산할 수 있다. [논제 Ⅰ-2](1)번에서 ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) < a n − m ≤ ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) + 1 \displaystyle \sqrt{(m-1)(2n-m-1)}<a_{n-m}\le\sqrt{(m-1)(2n-m-1)}+1 ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) < a n − m ≤ ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) + 1 이므로, n ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) V n < n a n − m V n ≤ n ( ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) + 1 ) V n \displaystyle \sqrt n\sqrt{(m-1)(2n-m-1)}V_n<\sqrt n a_{n-m}V_n\le\sqrt n(\sqrt{(m-1)(2n-m-1)}+1)V_n n ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) V n < n a n − m V n ≤ n ( ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) + 1 ) V n 이다.b n = n ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) V n \displaystyle b_n=\sqrt n\sqrt{(m-1)(2n-m-1)}V_n b n = n ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) V n 이고, c n = n ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) V n + n V n \displaystyle c_n=\sqrt n\sqrt{(m-1)(2n-m-1)}V_n+\sqrt nV_n c n = n ( m − 1 ) ( 2 n − m − 1 ) V n + n V n 이라 하면,b n < n a n − m V n ≤ c n \displaystyle b_n<\sqrt n a_{n-m}V_n\le c_n b n < n a n − m V n ≤ c n …… ①b n = m − 1 n 2 n − m − 1 ( 3 2 n + α n 2 + β n 3 ) = m − 1 2 − m + 1 n ( 3 2 + α n + β n 2 ) \displaystyle b_n=\sqrt{m-1}\sqrt n\sqrt{2n-m-1}\left(\frac3{2n}+\frac\alpha{n^2}+\frac\beta{n^3}\right)=\sqrt{m-1}\sqrt{2-\frac{m+1}n}\left(\frac32+\frac\alpha n+\frac\beta{n^2}\right) b n = m − 1 n 2 n − m − 1 ( 2 n 3 + n 2 α + n 3 β ) = m − 1 2 − n m + 1 ( 2 3 + n α + n 2 β ) 가 되어,lim n → ∞ b n = 3 2 2 ( m − 1 ) \displaystyle \lim_{n\to\infty}b_n=\frac32\sqrt{2(m-1)} n → ∞ lim b n = 2 3 2 ( m − 1 ) …… ②c n = b n + n V n \displaystyle c_n=b_n+\sqrt nV_n c n = b n + n V n 이 되는데, n V n = n ( 3 2 n + α n 2 + β n 3 ) \displaystyle \sqrt nV_n=\sqrt n\left(\frac3{2n}+\frac\alpha{n^2}+\frac\beta{n^3}\right) n V n = n ( 2 n 3 + n 2 α + n 3 β ) 이므로, lim n → ∞ n V n = 0 \displaystyle \lim_{n\to\infty}\sqrt nV_n=0 n → ∞ lim n V n = 0 이다.따라서 lim n → ∞ c n = 3 2 2 ( m − 1 ) \displaystyle \lim_{n\to\infty}c_n=\frac32\sqrt{2(m-1)} n → ∞ lim c n = 2 3 2 ( m − 1 ) …… ③ 제시문 [다]와 ①, ②, ③으로부터 수열 { n a n − m V n } \displaystyle \left\{\sqrt n a_{n-m}V_n\right\} { n a n − m V n } 은 수렴하고, 극한값은 3 2 2 ( m − 1 ) \displaystyle \frac32\sqrt{2(m-1)} 2 3 2 ( m − 1 ) 이다.
Comment. ak는 원의 개수이므로 항상 자연수이다. 이 항목에서는 100−k2+1이 자연수가 되는 k를 구한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.