수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 4번

문제

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해설강의 준비중

(a)

주어진 조건에서 a>12\displaystyle a>\frac{1}{2}인 경우와 a<12\displaystyle a<\frac{1}{2}인 경우 그리고 a=12\displaystyle a=\frac{1}{2}인 경우로 나누어 생각하여야 하지만 예를 들어 a<12\displaystyle a<\frac{1}{2}인 경우만을 생각해보자. 먼저 A\displaystyle Ay\displaystyle y축에 그리고 B\displaystyle Bx\displaystyle x축에 있는 경우 A\displaystyle A(0,c)\displaystyle (0,c)라 하고 B\displaystyle B(d,0)\displaystyle (d,0)이라 할 수 있다. 선분의 길이가 1이므로 c2+d2=1\displaystyle c^2+d^2=1을 만족하고 점P\displaystyle P(x,y)\displaystyle (x,y)라 하면 x=(1a)d\displaystyle x=(1-a)d 그리고 y=ac\displaystyle y=ac를 만족한다. 따라서 (x,y)\displaystyle (x,y)x2(1a)2+y2a2=1\displaystyle \frac{x^2}{(1-a)^2}+\frac{y^2}{a^2}=1을 만족한다. 그러므로 일단 그림 1에서와 같이 원점 근방에서 타원의 일부가 생성된다. 이후에 P\displaystyle Py\displaystyle y축을 따라서 이동하다가 A\displaystyle A(0,3)\displaystyle (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>12\displaystyle a>\frac{1}{2}인 경우와 a=12\displaystyle a=\frac{1}{2}인 경우도 같은 방법을 적용할 수 있으나 a>12\displaystyle a>\frac{1}{2}인 경우는 장축과 단축이 뒤바뀌고 a=12\displaystyle a=\frac{1}{2}인 경우는 원을 얻는다.

타원의 일부와 선분으로 이루어진 점 P의 자취

(b)

먼저 그림 1의 도형을 x\displaystyle x축으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피와 그림 3과 4의 빗금친 도형을 x\displaystyle x축으로 회전시켜 얻은 회전체의 부피의 합은 일치한다. 따라서 회전체의 부피는01aπa2(1x2(1a)2)dx+01aπ(32(3a1x2(1a)2)2)dx+0aπ(1a)2(1x2a2)dx+0aπ(32(3(1a)1x2a2)2)dx\displaystyle \begin{aligned}&\int_0^{1-a}\pi a^2\left(1-\frac{x^2}{(1-a)^2}\right)dx+\int_0^{1-a}\pi\left(3^2-\left(3-a\sqrt{1-\frac{x^2}{(1-a)^2}}\right)^2\right)dx\\&\quad+\int_0^a\pi(1-a)^2\left(1-\frac{x^2}{a^2}\right)dx+\int_0^a\pi\left(3^2-\left(3-(1-a)\sqrt{1-\frac{x^2}{a^2}}\right)^2\right)dx\end{aligned}이다. 서로 상쇄되는 부분을 고려하여 간단히 하면 부피 f(a)\displaystyle f(a)01a6πa1a(1a)2x2dx+0a6π1aaa2x2dx=3π2a(1a)\displaystyle \int_0^{1-a}6\pi\frac{a}{1-a}\sqrt{(1-a)^2-x^2}\,dx+\int_0^a6\pi\frac{1-a}{a}\sqrt{a^2-x^2}\,dx=3\pi^2a(1-a)가 된다. 그러므로 limnnf(1n)=3π2\displaystyle \lim_{n\to\infty}nf\left(\frac{1}{n}\right)=3\pi^2이다.

그림 3과 그림 4. 회전체의 부피를 계산하는 두 빗금친 영역

(c)

θ=π2\displaystyle \theta=\frac{\pi}{2}인 경우는 논제(a)에서 다루었으므로 θ\displaystyle \thetaπ2\displaystyle \frac{\pi}{2}가 아니라고 하자. 그림 5에서 점A\displaystyle A(c,ctanθ)\displaystyle (c,c\tan\theta)라 놓고 점B\displaystyle B(d,0)\displaystyle (d,0)이라 놓으면 점P\displaystyle P의 좌표는 (x,y)=(c+d2,ctanθ2)\displaystyle (x,y)=\left(\frac{c+d}{2},\frac{c\tan\theta}{2}\right)가 된다. 점A\displaystyle A와 점B\displaystyle B 사이의 거리가 1이므로 (cd)2+c2tan2θ=1\displaystyle (c-d)^2+c^2\tan^2\theta=1을 만족한다. 따라서 위의 정보를 이용하여 x\displaystyle x, y\displaystyle y가 이루는 방정식을 만들면 (4ytanθ2x)2+4y2=1\displaystyle \left(\frac{4y}{\tan\theta}-2x\right)^2+4y^2=1이 된다. 따라서 P\displaystyle P의 자취는 앞의 식을 만족시키는 2차 곡선의 일부가 되며 이 이차곡선은 사실상 타원을 회전한 곡선이다.

그림 5. 중점 P가 그리는 회전된 타원의 일부

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