수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

※ 다음 제시문을 읽고 다음 질문에 답하시오.

[라] 원 x2+y2=r2\displaystyle x^2+y^2=r^2 위의 점 P(x1,y1)\displaystyle \mathrm P(x_1,y_1)에서 지나는 접선의 방정식은 x1x+y1y=r2\displaystyle x_1x+y_1y=r^2.

[마] 등비급수 ∑n=1∞arn−1=a+ar+ar2+⋯+arn−1+⋯ (a≠0)\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}ar^{n-1}=a+ar+ar^2+\cdots+ar^{n-1}+\cdots\ (a\ne0)은① ∣r∣<1\displaystyle |r|<1일 때 수렴하고, 그 합은 a1−r\displaystyle \frac a{1-r}이다.② ∣r∣≥1\displaystyle |r|\ge1일 때 발산한다.

[논제 Ⅲ] 원 O0:x2+y2=1\displaystyle O_0:x^2+y^2=1 위의 x\displaystyle x좌표가 양수인 점 P(x0,y0)\displaystyle \mathrm P(x_0,y_0)가 있다. 점 P를 지나고 원 O0\displaystyle O_0에 접하는 직선과 직선 y=−1\displaystyle y=-1이 만나는 점을 Q라고 하자. (0,−1)\displaystyle (0,-1)을 P′\displaystyle \mathrm P^{\prime}이라고 하면, 선분 PQ, 직선 y=−1\displaystyle y=-1, 그리고 원 O0\displaystyle O_0와 동시에 접하는 원들 중에서 O0\displaystyle O_0보다 반지름이 작고 삼각형 P′PQ\displaystyle \mathrm P^{\prime}PQ 내부에 있는 원을 O1\displaystyle O_1이라고 하자. 같은 방법으로 주어진 원 On (n≥1)\displaystyle O_n\ (n\ge1)에 대하여 선분 PQ, 직선 y=−1\displaystyle y=-1, 그리고 원 On\displaystyle O_n에 동시에 접하고 원 On\displaystyle O_n보다 반지름이 작으며 삼각형 P′PQ\displaystyle \mathrm P^{\prime}PQ 내부에 있는 새로운 원을 On+1\displaystyle O_{n+1}이라고 할 때, 다음 물음에 답하시오.

(1) 점 Q의 x\displaystyle x좌표와 원 O1\displaystyle O_1의 반지름의 길이를 각각 점 P의 좌표에 대한 함수로 나타내고, 그 근거를 논술하시오. (20점)

(2) 원들 O1,O2,⋯\displaystyle O_1,O_2,\cdots에 대한 넓이들의 합이 π8\displaystyle \frac\pi8일 때, 점 P의 좌표를 구하고, 그 근거를 논술하시오. (17점)

해설강의 준비중

논술 직선에 접하는 원의 배치

관련 개념강의 준비중
+7점 · 점 Q의 좌표를 구한다.

논제 Ⅲ-(1)점 P에서 접선의 방정식은 다음과 같다.x0x+y0y=1.\displaystyle x_0x+y_0y=1.이 직선과 직선 y=−1\displaystyle y=-1의 교점은 (y0+1x0,−1)\displaystyle \left(\frac{y_0+1}{x_0},-1\right)이므로, 점 Q의 좌표를 얻었다.

y₀>0인 경우의 접선과 원 O₀, O₁
+13점 · 원 O1\displaystyle O_1의 반지름을 구한다.

원 On\displaystyle O_n의 중심을 Rn\displaystyle \mathrm R_n라고 하고 원 On\displaystyle O_n의 반지름을 rn\displaystyle r_n이라고 하자. R1\displaystyle \mathrm R_1을 지나는 x\displaystyle x축과 평행인 직선을 그어서 y\displaystyle y축과 만나는 점을 B이라고 하자. P′Q‾:P′R0‾=y0+1x0:1\displaystyle \overline{\mathrm P^{\prime}Q}:\overline{\mathrm P^{\prime}R_0}=\frac{y_0+1}{x_0}:1이다. 삼각형 BR0R1\displaystyle \mathrm{BR}_0\mathrm R_1과 삼각형 P′R0Q\displaystyle \mathrm P^{\prime}R_0Q는 닮음이고 선분 BR0\displaystyle \mathrm{BR}_0의 길이는 1−r1\displaystyle 1-r_1이므로 선분 BR1\displaystyle \mathrm{BR}_1의 길이는 y0+1x0(1−r1)\displaystyle \frac{y_0+1}{x_0}(1-r_1)이다. 선분 R0R1\displaystyle \mathrm R_0R_1의 길이는 두 원의 반지름의 합이므로 1+r1\displaystyle 1+r_1이다. 따라서, 피타고라스 정리를 이용하면 다음을 얻는다.r1=(y0+1x0)2+1−1(y0+1x0)2+1+1.\displaystyle r_1=\frac{\sqrt{\left(\frac{y_0+1}{x_0}\right)^2+1}-1}{\sqrt{\left(\frac{y_0+1}{x_0}\right)^2+1}+1}.

y₀<0인 경우의 접선과 원 O₀, O₁
+7점 · 원 넓이들의 합을 구한다.

논제 Ⅲ-(2)인접한 원들 간의 닮음비는 모두 같으므로 원 On\displaystyle O_n의 넓이는 πr12n\displaystyle \pi r_1^{2n}이다. 따라서 원 O1,O2,⋯\displaystyle O_1,O_2,\cdots의 넓이는 첫째항이 πr12\displaystyle \pi r_1^2이고 공비가 r12\displaystyle r_1^2인 등비수열이다. 따라서 이 등비수열의 합은 πr121−r12\displaystyle \frac{\pi r_1^2}{1-r_1^2}이다.

+10점 · 등비급수 합의 조건과 원의 방정식을 이용하여 점 P의 좌표를 구한다.

급수의 합이 π8\displaystyle \frac\pi8이므로, r1\displaystyle r_1은 13\displaystyle \frac13이다. 이 조건과 문제 (1)의 결과를 이용하여 (y0+1x0)2\displaystyle \left(\frac{y_0+1}{x_0}\right)^2를 계산하면 3이고 x0\displaystyle x_0와 y0+1\displaystyle y_0+1는 모두 양수이므로 y0+1=3x0\displaystyle y_0+1=\sqrt3x_0이 성립한다. (x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0)는 원 위의 점이므로 원의 방정식에 의해 x02+y02=1\displaystyle x_0^2+y_0^2=1이다. 이 두 식에 의해서 (x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0)의 좌표를 구하면 (32,12)\displaystyle \left(\frac{\sqrt3}2,\frac12\right)이다.

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