수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

[논제 Ⅲ](1) 삼각형 PFF\displaystyle \mathrm{PFF}^{\prime}의 외접원의 중심 A는 점 F와 점 F\displaystyle \mathrm F^{\prime}에서 부터의 거리가 같아야 하므로, 선분 FF\displaystyle \mathrm F^{\prime}\mathrm F의 수직이등분선, 즉 y\displaystyle y축 위에 있어야 한다. 따라서 k=0\displaystyle k=0이고, A(0,l)\displaystyle \mathrm A(0,l)로 둘 수 있다. 한편, AF=AP\displaystyle \overline{\mathrm{AF}}=\overline{\mathrm{AP}}이므로,c2+l2=(lq)2+p2\displaystyle \sqrt{c^2+l^2}=\sqrt{(l-q)^2+p^2}이다. 이를 풀면, l=p2+q2c22q=a2b2q2+a2+q2c22q=c2q2b42b2q\displaystyle l=\frac{p^2+q^2-c^2}{2q}=\frac{\frac{a^2}{b^2}q^2+a^2+q^2-c^2}{2q}=\frac{c^2q^2-b^4}{2b^2q}가 된다.따라서, q>0\displaystyle q>0이므로, A의 y\displaystyle y좌표 l\displaystyle l이 양수이기 위한 q\displaystyle q의 조건은 q>b2c\displaystyle q>\frac{b^2}c가 된다.

(2) q\displaystyle q가 양의 무한대로 발산하는 극한을 구해야 하므로, 일반성을 잃지 않고, q>b2c\displaystyle q>\frac{b^2}c인 경우를 생각해도 충분하다.이때, 원점을 O라 하면, 원주각과 중심각의 성질에 의해 FAO=β, PAF=2α\displaystyle \angle\mathrm{FAO}=\beta,\ \angle\mathrm{PAF}=2\alpha이므로 PAO=2α+β\displaystyle \angle\mathrm{PAO}=2\alpha+\beta가 된다. 따라서, 구하고자 하는 극한은limycos(PAO)\displaystyle \lim_{y\to\infty}\cos(\angle\mathrm{PAO})Correction. 첫 번째 극한의 y\displaystyle yq\displaystyle q의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이다. 그런데, 점 P의 y\displaystyle y좌표와 점 A의 y\displaystyle y좌표의 차이를 계산해보면,qc2q2b42b2q=(b2a2)q2+b42b2q\displaystyle q-\frac{c^2q^2-b^4}{2b^2q}=\frac{(b^2-a^2)q^2+b^4}{2b^2q}이다. 따라서, 주어진 조건대로 a>b>0\displaystyle a>b>0이면, q>b2a2b2\displaystyle q>\frac{b^2}{\sqrt{a^2-b^2}}일 때 A의 y\displaystyle y좌표가 P의 y\displaystyle y좌표보다 크다. 따라서, 충분히 큰 q\displaystyle q에 대해 PAO\displaystyle \angle\mathrm{PAO}는 예각이다. 따라서 이 경우에는cos(2α+β)=A의 y좌표P의 y좌표AP\displaystyle \cos(2\alpha+\beta)=\frac{\text{A의 }y\text{좌표}-\text{P의 }y\text{좌표}}{\overline{\mathrm{AP}}}이므로,cos(2α+β)=(a2b2)q2b42b2qp2+((b2a2)q2+b42b2q)2=(a2b2)q2b42b2qa2b2q2+a2+((b2a2)q2+b42b2q)2\displaystyle \cos(2\alpha+\beta)=\frac{\frac{(a^2-b^2)q^2-b^4}{2b^2q}}{\sqrt{p^2+\left(\frac{(b^2-a^2)q^2+b^4}{2b^2q}\right)^2}}=\frac{\frac{(a^2-b^2)q^2-b^4}{2b^2q}}{\sqrt{\frac{a^2}{b^2}q^2+a^2+\left(\frac{(b^2-a^2)q^2+b^4}{2b^2q}\right)^2}}이다. 따라서 limqcos(2α+β)=a2b2a2+b2=a2b21a2b2+1\displaystyle \lim_{q\to\infty}\cos(2\alpha+\beta)=\frac{a^2-b^2}{a^2+b^2}=\frac{\frac{a^2}{b^2}-1}{\frac{a^2}{b^2}+1}이고,f(t)=t21t2+1\displaystyle f(t)=\frac{t^2-1}{t^2+1}이다. 그러므로, 구하고자 하는 부정적분은tf(t)dt=tt21t2+1dt=t(12t2+1)dt=t22log(1+t2)+C\displaystyle \int tf(t)\,dt=\int t\frac{t^2-1}{t^2+1}\,dt=\int t\left(1-\frac2{t^2+1}\right)dt=\frac{t^2}2-\log(1+t^2)+CComment. 여기서 log\displaystyle \log는 자연로그 ln\displaystyle \ln을 뜻한다. 상용로그로 읽으면 미분한 결과가 피적분함수와 달라진다.이다.

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