수리논술, 이게 다다.

약학과 4번

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문제

다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

경사면 위 원뿔 세 개와 절단 타원

그림과 같이 직육면체 상자 내부에 밑면과 윗면을 연결하는 경사도가 π12\displaystyle \frac\pi{12}인 경사면이 놓여 있다. 경사면은 가로가 6, 세로가 2인 직사각형이다. 이 경사면 위에 밑면의 반지름의 길이가 1이고 높이가 3\displaystyle \sqrt3인 원뿔 3개를 나란히 놓고 직육면체의 윗면이 놓인 평면으로 이 원뿔을 절단한다. 이때 각각의 원뿔에 생기는 단면은 타원 C1,C2,C3\displaystyle C_1,C_2,C_3이고, (타원 C3\displaystyle C_3의 장축의 길이) < (타원 C2\displaystyle C_2의 장축의 길이) < (타원 C1\displaystyle C_1의 장축의 길이)이다.

[4-1] 타원 C1,C2,C3\displaystyle C_1,C_2,C_3의 장축의 길이와 단축의 길이를 각각 구하시오. [45점]

[4-2] 타원 C1\displaystyle C_1의 장축의 경사면 위로의 정사영의 길이와 단축의 경사면 위로의 정사영의 길이를 구하시오. [20점]

[4-3] 좌표평면 위에 중심이 원점이고 x\displaystyle x축 위의 두 점을 초점으로 하고 장축의 길이와 단축의 길이가 타원 C1\displaystyle C_1과 같은 타원이 있다. 타원의 단축이 타원과 만나는 점을 (0,b),(0,−b)\displaystyle (0,b),(0,-b)라 할 때, 점(0,−b)\displaystyle (0,-b)에서의 접선 ℓ1\displaystyle \ell_1과 타원 위의 또 다른 서로 다른 두 점에서의 접선 ℓ2,ℓ3\displaystyle \ell_2,\ell_3의 교점들을 꼭짓점으로 하고 y\displaystyle y축에 대칭인 이등변삼각형이 있다. 두 접선 ℓ2,ℓ3\displaystyle \ell_2,\ell_3과 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 부분의 넓이가 8−33\displaystyle 8-3\sqrt3일 때, 두 접선 ℓ2,ℓ3\displaystyle \ell_2,\ell_3의 기울기의 곱을 구하시오. (단, b>0\displaystyle b>0) [25점]

해설강의 준비중

심화 원뿔곡선

관련 개념강의 준비중

채점기준은 대학 공개 원문을 그대로 표시합니다.

[4-1]

+3점 · sin⁡π12=6−24\displaystyle \sin\frac\pi{12}=\frac{\sqrt6-\sqrt2}4, cos⁡π12=6+24\displaystyle \cos\frac\pi{12}=\frac{\sqrt6+\sqrt2}4를 계산한다.

경사면과 수평면이 이루는 각을 θ=π12\displaystyle \theta=\frac\pi{12}라 하면sin⁡θ=6−24\displaystyle \sin\theta=\frac{\sqrt6-\sqrt2}{4},τ=tan⁡θ=2−3\displaystyle \tau=\tan\theta=2-\sqrt3, cos⁡θ=6+24\displaystyle \cos\theta=\frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}이다.

+42점 ·
타원 C1\displaystyle C_1타원 C2\displaystyle C_2타원 C3\displaystyle C_3
장축의 길이6(3−1)=32−6=2(3−3)\displaystyle \begin{gathered}\sqrt6(\sqrt3-1)\\=3\sqrt2-\sqrt6\\=\sqrt2(3-\sqrt3)\end{gathered}6(23−3)=62−36=32(2−3)\displaystyle \begin{gathered}\sqrt6(2\sqrt3-3)\\=6\sqrt2-3\sqrt6\\=3\sqrt2(2-\sqrt3)\end{gathered}6(33−5)=92−56=2(9−53)\displaystyle \begin{gathered}\sqrt6(3\sqrt3-5)\\=9\sqrt2-5\sqrt6\\=\sqrt2(9-5\sqrt3)\end{gathered}
단축의 길이3\displaystyle \sqrt332(3−1)\displaystyle \frac32(\sqrt3-1)23−3\displaystyle 2\sqrt3-3
삼각비, 삼각형의 닮음, 사인법칙, 코사인 법칙을 활용하여 위의 6개 값을 구하는 데, 계산과정 없는 경우는 값 1개당 3점으로, 3점 * 6개 = 18점(계산 과정+ 맞는 결과 값)은 1개당 7점 * 6개 로 = 42점(계산과정만 있고 결과 값이 맞지않는 경우 점수 없음)

타원 Ci\displaystyle C_i가 생기는 원뿔의 밑면 중심을 Oi\displaystyle \mathrm O_i라 하자.그림과 같이 반지름이 1\displaystyle 1인 세 밑면이 경사면을 채우므로,경사면의 위쪽 변에서 O1,O2,O3\displaystyle \mathrm O_1,\mathrm O_2,\mathrm O_3까지의 거리는 각각 1,3,5\displaystyle 1,3,5이다.

(i) 장축의 길이각 원뿔의 축을 지나고 경사면의 가로 방향에 평행한 평면으로 자른다.이 평면에서 Oi\displaystyle \mathrm O_i를 원점으로 하고,경사면을 따라 올라가는 방향을 u\displaystyle u축, 원뿔의 축 방향을 w\displaystyle w축으로 잡는다.높이가 3\displaystyle \sqrt3, 밑면 반지름이 1\displaystyle 1이므로 두 모선의 방정식은w=3−3u(u≥0)\displaystyle w=\sqrt3-\sqrt3u\quad(u\ge0),w=3+3u(u≤0)\displaystyle w=\sqrt3+\sqrt3u\quad(u\le0)이다.

수평 절단면은 w\displaystyle w축과 높이 (2i−1)τ\displaystyle (2i-1)\tau에서 만나므로,이 평면에서 절단선의 방정식은w=(2i−1)τ−uτ\displaystyle w=(2i-1)\tau-u\tau이다.Di=3−(2i−1)τ\displaystyle D_i=\sqrt3-(2i-1)\tau라 하면 두 모선과의 교점의 u\displaystyle u좌표는u+=Di3−τ\displaystyle u_+=\frac{D_i}{\sqrt3-\tau}, u−=−Di3+τ\displaystyle u_-=-\frac{D_i}{\sqrt3+\tau}이다.

이 두 교점 사이의 길이를 2ai\displaystyle 2a_i라 하자.절단선과 u\displaystyle u축이 이루는 각이 θ\displaystyle \theta이므로2ai=u+−u−cos⁡θ=23Di(3−τ2)cos⁡θ.\displaystyle \begin{aligned}2a_i&=\frac{u_+-u_-}{\cos\theta}\\&=\frac{2\sqrt3D_i}{(3-\tau^2)\cos\theta}.\end{aligned}여기서 (3−τ2)cos⁡θ=22\displaystyle (3-\tau^2)\cos\theta=2\sqrt2이고,q1=3−1\displaystyle q_1=\sqrt3-1, q2=23−3\displaystyle q_2=2\sqrt3-3, q3=33−5\displaystyle q_3=3\sqrt3-5라 하면 Di=2qi\displaystyle D_i=2q_i이므로2ai=6qi\displaystyle 2a_i=\sqrt6q_i이다.

(ii) 단축의 길이절단선의 두 교점의 중점을 Mi(ui,wi)\displaystyle \mathrm M_i(u_i,w_i)라 하자.수직단면에 대한 대칭성에 의해 Mi\displaystyle \mathrm M_i는 타원의 중심이다.두 끝점의 좌표가 (ui±aicos⁡θ,wi∓aisin⁡θ)\displaystyle (u_i\pm a_i\cos\theta,w_i\mp a_i\sin\theta)이므로,각각의 모선 방정식에 대입하면3−wi=3aicos⁡θ,ui=aisin⁡θ3.\displaystyle \begin{aligned}\sqrt3-w_i&=\sqrt3a_i\cos\theta,\\u_i&=\frac{a_i\sin\theta}{\sqrt3}.\end{aligned}

Mi\displaystyle \mathrm M_i를 지나고 원뿔의 밑면에 평행한 평면으로 자른 원의 반지름을 ρi\displaystyle \rho_i라 하면,닮음에 의하여ρi=3−wi3=aicos⁡θ\displaystyle \rho_i=\frac{\sqrt3-w_i}{\sqrt3}=a_i\cos\theta이다.이 원과 수평 절단면의 교선은 타원의 중심 Mi\displaystyle \mathrm M_i를 지나고 경사면의 폭 방향과 평행하다.원의 중심에서 이 교선까지의 거리는 ∣ui∣\displaystyle |u_i|이므로,그 현의 반길이를 bi\displaystyle b_i라 하면 피타고라스 정리에 의하여bi2=ρi2−ui2=ai2(cos⁡2θ−13sin⁡2θ)=1+33ai2.\displaystyle \begin{aligned}b_i^2&=\rho_i^2-u_i^2\\&=a_i^2\left(\cos^2\theta-\frac13\sin^2\theta\right)\\&=\frac{1+\sqrt3}{3}a_i^2.\end{aligned}0<1+33<1\displaystyle 0<\frac{1+\sqrt3}{3}<1이므로 2ai\displaystyle 2a_i가 장축, 2bi\displaystyle 2b_i가 단축의 길이이다.

따라서 세 타원의 장축과 단축의 길이는 각각 다음과 같다.C1:2a1=6(3−1),2b1=23−1,C2:2a2=6(23−3),2b2=2(1+3)(23−3),C3:2a3=6(33−5),2b3=2(1+3)(33−5).\displaystyle \begin{aligned}C_1:\quad 2a_1&=\sqrt6(\sqrt3-1),\\2b_1&=2\sqrt{\sqrt3-1},\\C_2:\quad 2a_2&=\sqrt6(2\sqrt3-3),\\2b_2&=\sqrt{2(1+\sqrt3)}(2\sqrt3-3),\\C_3:\quad 2a_3&=\sqrt6(3\sqrt3-5),\\2b_3&=\sqrt{2(1+\sqrt3)}(3\sqrt3-5).\end{aligned}

+10점 · 타원의 장축의 정사영의 길이는 (타원C1\displaystyle C_1의 장축의 길이)×cos⁡π12=3\displaystyle \times\cos\frac\pi{12}=\sqrt3이다.

[4-2]타원 C1\displaystyle C_1의 장축은 경사면의 가로 방향을 포함한 수직단면 위에 있으므로,장축의 경사면 위 정사영의 길이는2a1cos⁡θ=6(3−1)6+24=3.\displaystyle \begin{aligned}2a_1\cos\theta&=\sqrt6(\sqrt3-1)\frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}\\&=\sqrt3.\end{aligned}

+10점 · 단축이 놓인 평면은 비탈면과 평행하기 때문에, 단축의 정사영의 길이는 단축의 길이와 같은 3\displaystyle \sqrt3이다.

단축은 경사면의 폭 방향과 평행하므로 정사영하여도 길이가 변하지 않는다.따라서 단축의 정사영의 길이는 23−1\displaystyle 2\sqrt{\sqrt3-1}이다.

+5점 · 타원C1\displaystyle C_1의 장축의 길이는 2a\displaystyle 2a, 단축의 길이는 2b\displaystyle 2b일 때, 접선 ℓ2\displaystyle \ell_2의 방정식이 y=mx+a2m2+b2\displaystyle y=mx+\sqrt{a^2m^2+b^2}이고, 접선 ℓ3\displaystyle \ell_3의 방정식은 y=−mx+a2m2+b2\displaystyle y=-mx+\sqrt{a^2m^2+b^2}이다. (이등변 삼각형 조건을 이용하여 두 접선의 기울기가 m,−m\displaystyle m,-m임을 알고, 타원의 접선을 구한다)

[4-3]타원의 장반축과 단반축의 길이를 각각 a,b\displaystyle a,b라 하면a2=6−33\displaystyle a^2=6-3\sqrt3, b2=3−1\displaystyle b^2=\sqrt3-1이므로 타원의 방정식은x2a2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1이다.점 (0,−b)\displaystyle (0,-b)에서의 접선은 ℓ1:y=−b\displaystyle \ell_1:y=-b이다.

나머지 두 접선은 y\displaystyle y축에 대칭이므로ℓ2:y=mx+c\displaystyle \ell_2:y=mx+c, ℓ3:y=−mx+c(m>0)\displaystyle \ell_3:y=-mx+c\quad(m>0)로 둘 수 있다.y=mx+c\displaystyle y=mx+c를 타원의 방정식에 대입하여 얻는 이차방정식은(b2+a2m2)x2+2a2mcx+a2(c2−b2)=0\displaystyle (b^2+a^2m^2)x^2+2a^2mcx+a^2(c^2-b^2)=0이다.접하므로 판별식이 0\displaystyle 0이고, 이를 정리하면 c2=a2m2+b2\displaystyle c^2=a^2m^2+b^2이다.

+15점 · 2a=6(3−1)\displaystyle 2a=\sqrt6(\sqrt3-1), 단축의 길이는 2b=3\displaystyle 2b=\sqrt3이므로 점(0,−32)\displaystyle \left(0,-\frac{\sqrt3}2\right)을 지나는 접선 ℓ1\displaystyle \ell_1은 y=−32\displaystyle y=-\frac{\sqrt3}2이다. 이때 두 접선 ℓ2,ℓ3\displaystyle \ell_2,\ell_3의 교점은 (0,a2m2+b2)\displaystyle \left(0,\sqrt{a^2m^2+b^2}\right)이고 두 직선들의 x\displaystyle x축과의 교점은 (−a2m2+b2m,0)\displaystyle \left(-\frac{\sqrt{a^2m^2+b^2}}m,0\right), (a2m2+b2m,0)\displaystyle \left(\frac{\sqrt{a^2m^2+b^2}}m,0\right)이므로 삼각형의 넓이는 S=12×(a2m2+b2)×2×a2m2+b2m=a2m2+b2m=((6−33)m2+34)/m\displaystyle S=\frac12\times(\sqrt{a^2m^2+b^2})\times2\times\frac{\sqrt{a^2m^2+b^2}}m=\frac{a^2m^2+b^2}m=\left((6-3\sqrt3)m^2+\frac34\right)/m이 고 S=8−33\displaystyle S=8-3\sqrt3 조건으로부터 (6−33)m2−(8−33)m+34=0\displaystyle (6-3\sqrt3)m^2-(8-3\sqrt3)m+\frac34=0이다.

두 접선의 교점은 (0,c)\displaystyle (0,c), x\displaystyle x축과의 교점은 (−c/m,0)\displaystyle (-c/m,0), (c/m,0)\displaystyle (c/m,0)이므로,이 세 점으로 이루어진 삼각형의 넓이는12⋅2∣c∣m⋅∣c∣=c2m=a2m2+b2m\displaystyle \frac12\cdot\frac{2|c|}{m}\cdot|c|=\frac{c^2}{m}=\frac{a^2m^2+b^2}{m}이다.따라서 주어진 넓이 조건은(6−33)m2−(8−33)m+(3−1)=0\displaystyle (6-3\sqrt3)m^2-(8-3\sqrt3)m+(\sqrt3-1)=0이다.

+5점 · 근의 공식에 의해 m=8−33±73−3932(6−33)\displaystyle m=\frac{8-3\sqrt3\pm\sqrt{73-39\sqrt3}}{2(6-3\sqrt3)}이며 y\displaystyle y축에 대칭인 이등변삼각형이므로 m=8−33+73−3932(6−33)\displaystyle m=\frac{8-3\sqrt3+\sqrt{73-39\sqrt3}}{2(6-3\sqrt3)}이다. 그러므로 두 접선의 기울기의 곱은 −m2=164−873+2(8−33)73−39336(43−7)\displaystyle -m^2=\frac{164-87\sqrt3+2(8-3\sqrt3)\sqrt{73-39\sqrt3}}{36(4\sqrt3-7)}이다.

판별식은 151−843>0\displaystyle 151-84\sqrt3>0이고, 두 근의 합과 곱이 모두 양수이므로 서로 다른 두 양의 근m±=8−33±151−8432(6−33)\displaystyle m_\pm=\frac{8-3\sqrt3\pm\sqrt{151-84\sqrt3}}{2(6-3\sqrt3)}을 얻는다.

두 근 모두 실제로 조건을 만족한다.각 근에 대하여 c=a2m2+b2>b\displaystyle c=\sqrt{a^2m^2+b^2}>b로 잡으면,세 접선 ℓ1,ℓ2,ℓ3\displaystyle \ell_1,\ell_2,\ell_3이 만드는 삼각형의 꼭짓점은(0,c)\displaystyle (0,c), (−c+bm,−b)\displaystyle \left(-\frac{c+b}{m},-b\right), (c+bm,−b)\displaystyle \left(\frac{c+b}{m},-b\right)이다.따라서 두 경우 모두 y\displaystyle y축에 대칭인 이등변삼각형을 이루며,두 접선과 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 부분의 넓이도 주어진 값과 같다.

그러므로 구하는 두 접선의 기울기의 곱은 다음 두 값이다.−(8−33±151−8432(6−33))2\displaystyle -\left(\frac{8-3\sqrt3\pm\sqrt{151-84\sqrt3}}{2(6-3\sqrt3)}\right)^2

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