고려대 서울캠퍼스 2010학년도 모의 자연계열 4번 · mathesis.kr/archive/korea_seoul/2010mo/jayeon_4
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고려대 서울캠퍼스 2010학년도 모의 자연계열 4번 · mathesis.kr/archive/korea_seoul/2010mo/jayeon_4
(a)
주어진 조건에서 a>21인 경우와 a<21인 경우 그리고 a=21인 경우로 나누어 생각하여야 하지만 예를 들어 a<21인 경우만을 생각해보자. 먼저 A가 y축에 그리고 B가 x축에 있는 경우 A를 (0,c)라 하고 B를 (d,0)이라 할 수 있다. 선분의 길이가 1이므로 c2+d2=1을 만족하고 점P를 (x,y)라 하면 x=(1−a)d 그리고 y=ac를 만족한다. 따라서 (x,y)는 (1−a)2x2+a2y2=1을 만족한다. 그러므로 일단 그림 1에서와 같이 원점 근방에서 타원의 일부가 생성된다. 이후에 P는 y축을 따라서 이동하다가 A가 (0,3)을 지난 이후에 그림 1에서와 같은 타원의 일부를 그리며 같은 방법으로 나머지 자취도 구할 수 있다. 여기서 물론 그림 1에서와 같이 4개의 타원의 방정식을 각각 구할 수 있지만 기하학적인 패턴을 이용하여 첫 번째 타원의 방정식을 구한 후에 나머지 타원의 방정식을 추정하는 방법이 효율적일 것이다. 그리고 타원의 일부들의 끝점을 잇는 선분들도 자취에 포함시키는 것을 잊지 말아야 할 것이다. a>21인 경우와 a=21인 경우도 같은 방법을 적용할 수 있으나 a>21인 경우는 장축과 단축이 뒤바뀌고 a=21인 경우는 원을 얻는다.
(b)
먼저 그림 1의 도형을 x축으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피와 그림 3과 4의 빗금친 도형을 x축으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피의 합은 일치한다. 따라서 회전체의 부피는∫01−aπa2(1−(1−a)2x2)dx+∫01−aπ32−(3−a1−(1−a)2x2)2dx+∫0aπ(1−a)2(1−a2x2)dx+∫0aπ32−(3−(1−a)1−a2x2)2dx이다. 서로 상쇄되는 부분을 고려하여 간단히 하면 부피 f(a)는∫01−a6π1−aa(1−a)2−x2dx+∫0a6πa1−aa2−x2dx=3π2a(1−a)가 된다. 그러므로 n→∞limnf(n1)=3π2이다.
(c)
θ=2π인 경우는 논제(a)에서 다루었으므로 θ는 2π가 아니라고 하자. 그림 5에서 점A를 (c,ctanθ)라 놓고 점B를 (d,0)이라 놓으면 점P의 좌표는 (x,y)=(2c+d,2ctanθ)가 된다. 점A와 점B 사이의 거리가 1이므로 (c−d)2+c2tan2θ=1을 만족한다. 따라서 위의 정보를 이용하여 x, y가 이루는 방정식을 만들면 (tanθ4y−2x)2+4y2=1이 된다. 따라서 P의 자취는 앞의 식을 만족시키는 2차 곡선의 일부가 되며 이 이차곡선은 사실상 타원을 회전한 곡선이다.