+10점 · [1] [1] 주어진 <그림 1> 의 △ C H P \displaystyle \triangle CHP △ C H P 에서 tan α \displaystyle {\tan } \alpha tan α 는 접선의 기울기와 같고 도함수 d y d x \displaystyle \frac{dy }{dx} d x d y 는 접선의 기울기이다. 그런데 매개 변수 t \displaystyle t t 로 나타내어진 두 변수 x , y \displaystyle x, y x , y 가 나타내는 곡선 위의 접선의 기울기는 제시문의 식 (2)에 의하면 d y d x = g ′ ( t ) f ′ ( t ) \displaystyle \frac{dy}{dx} = \frac{g ^{\prime}(t)}{f ^{\prime}(t)} d x d y = f ′ ( t ) g ′ ( t ) 이므로 다음을 얻는다.
tan α = g ′ ( t ) f ′ ( t ) \displaystyle \tan \alpha = \frac{g ^{\prime} (t)}{f ^{\prime} (t)} tan α = f ′ ( t ) g ′ ( t ) , f ′ ( t ) ≠ 0 \displaystyle f ^{\prime}(t) \ne 0 f ′ ( t ) = 0
+12점 · [2] [2] 문항 [1]에서 구한 방정식의 양변을 제시문의 음함수의 미분법과 합성함수의 미분법을 이용하여 매개 변수 t \displaystyle t t 에 관해 미분하면 다음을 얻는다.
sec 2 α d α d t = d d t ( g ′ ( t ) f ′ ( t ) ) \displaystyle \sec ^{2 } \alpha ~ \frac{d \alpha }{dt} = \frac{d}{dt} \left( \frac{g ^{\prime}(t)}{f ^{\prime}(t) }\right) sec 2 α d t d α = d t d ( f ′ ( t ) g ′ ( t ) )
이를 정리하면 다음 식을 얻는다.
d α d t = d d t ( g ′ ( t ) f ′ ( t ) ) cos 2 α \displaystyle \frac{d \alpha }{dt} = \frac{d}{dt} \left ( \frac{g ^{\prime} (t)}{f ^{\prime} (t)} \right ) \cos ^{2} \alpha d t d α = d t d ( f ′ ( t ) g ′ ( t ) ) cos 2 α ①
<그림 2> 한편 문항 [1]에서 tan α = g ′ ( t ) f ′ ( t ) \displaystyle \tan \alpha = \frac{g ^{\prime} (t)}{f ^{\prime}(t)} tan α = f ′ ( t ) g ′ ( t ) 이므로 우측의 <그림 2>의 삼각형을 참조하여 다음을 얻는다.
cos α = f ′ ( t ) { f ′ ( t ) } 2 + { g ′ ( t ) } 2 \displaystyle \cos \alpha = \frac{f ^{\prime} (t)}{\sqrt {\left\{ f ^{\prime} (t) \right\} ^{2} + \left\{ g ^{\prime} (t) \right\} ^{2} }} cos α = { f ′ ( t ) } 2 + { g ′ ( t ) } 2 f ′ ( t ) ②
또한 몫의 미분법으로부터 다음을 얻는다.
d d t ( g ′ ( t ) f ′ ( t ) ) = g ′ ′ ( t ) f ′ ( t ) − g ′ ( t ) f ′ ′ ( t ) { f ′ ( t ) } 2 \displaystyle \frac{d}{dt}\left(\frac{g^{\prime}(t)}{f^{\prime}(t)}\right)=\frac{g^{\prime\prime}(t)f^{\prime}(t)-g^{\prime}(t)f^{\prime\prime}(t)}{\{f^{\prime}(t)\}^2} d t d ( f ′ ( t ) g ′ ( t ) ) = { f ′ ( t ) } 2 g ′′ ( t ) f ′ ( t ) − g ′ ( t ) f ′′ ( t ) ③
이제 식 ①에 식 ②와 ③을 대입하여 다음을 얻는다.
d α d t = g ′ ′ ( t ) f ′ ( t ) − g ′ ( t ) f ′ ′ ( t ) { f ′ ( t ) } 2 + { g ′ ( t ) } 2 \displaystyle \frac{d\alpha}{dt}=\frac{g^{\prime\prime}(t)f^{\prime}(t)-g^{\prime}(t)f^{\prime\prime}(t)}{\{f^{\prime}(t)\}^2+\{g^{\prime}(t)\}^2} d t d α = { f ′ ( t ) } 2 + { g ′ ( t ) } 2 g ′′ ( t ) f ′ ( t ) − g ′ ( t ) f ′′ ( t ) ④
+10점 · [3] [3] 제시문의 식 (3)에서 s ( t ) = ∫ a t { f ′ ( u ) } 2 + { g ′ ( u ) } 2 d u \displaystyle s(t) = \int _{a} ^{t} {} \sqrt {\left\{ f ^{\prime} (u) \right\} ^{2} + \left\{ g ^{\prime} (u) \right\} ^{2}} du s ( t ) = ∫ a t { f ′ ( u ) } 2 + { g ′ ( u ) } 2 d u 이므로 다음을 얻는다.
d s d t = { f ′ ( t ) } 2 + { g ′ ( t ) } 2 \displaystyle \frac{ds}{dt} = \sqrt {\left\{ f ^{\prime} (t) \right\} ^{2} + \left\{ g ^{\prime} (t) \right\} ^{2}} d t d s = { f ′ ( t ) } 2 + { g ′ ( t ) } 2 ⑤
이때 f ′ ( t ) ≠ 0 \displaystyle f ^{\prime} (t) \ne 0 f ′ ( t ) = 0 이므로 d s d t ≠ 0 \displaystyle \frac{ds}{dt} \ne 0 d t d s = 0 이며, 제시문의 식 (2)에 의해 매개 변수 t \displaystyle t t 로 나타내어진 두 함수 α , s \displaystyle \alpha ,~ s α , s 에 대하여 다음을 얻는다.
d α d s = d α d t d s d t \displaystyle \frac{d \alpha }{ds} = \frac{\frac{d \alpha }{dt}}{\frac{ds}{dt}} d s d α = d t d s d t d α ⑥
따라서 d α d t \displaystyle \frac{d \alpha }{dt} d t d α 에 대한 문항 [2]의 결과인 식 ④와 d s d t \displaystyle \frac{ds}{dt} d t d s 에 관한 식 ⑤를 식 ⑥에 대입하여 다음을 얻는다.
d α d s = g ′ ′ ( t ) f ′ ( t ) − g ′ ( t ) f ′ ′ ( t ) { { f ′ ( t ) } 2 + { g ′ ( t ) } 2 } 3 \displaystyle \frac{d\alpha}{ds}=\frac{g^{\prime\prime}(t)f^{\prime}(t)-g^{\prime}(t)f^{\prime\prime}(t)}{\left\{\sqrt{\{f^{\prime}(t)\}^2+\{g^{\prime}(t)\}^2}\right\}^3} d s d α = { { f ′ ( t ) } 2 + { g ′ ( t ) } 2 } 3 g ′′ ( t ) f ′ ( t ) − g ′ ( t ) f ′′ ( t ) ⑦
+4점 · [4] (a) [4] (a) 자명하게 x ( t ) = f ( t ) = t , y ( t ) = g ( t ) = a t + b , − ∞ < t < ∞ \displaystyle x(t)=f(t)=t,~y(t)=g(t)=at+b, -\infty < t < \infty x ( t ) = f ( t ) = t , y ( t ) = g ( t ) = a t + b , − ∞ < t < ∞ 는 직선의 매개 변수 함수이다.
+4점 · [4] (b) (b) f ′ ( t ) = 1 ≠ 0 \displaystyle f^{\prime}(t)=1\ne0 f ′ ( t ) = 1 = 0 이고 f ′ ′ ( t ) = g ′ ′ ( t ) = 0 \displaystyle f^{\prime\prime}(t)=g^{\prime\prime}(t)=0 f ′′ ( t ) = g ′′ ( t ) = 0 이므로 식 ⑦로부터 다음을 얻는다.
κ = 0 \displaystyle \kappa =0 κ = 0
(※ 매개 함수를 위의 것과 다르게 표현할 수도 있다. 그러나 κ \displaystyle \kappa κ 는 변하지 않는다.)
+5점 · [5] (a) [5] (a) <그림 3>을 참조하면 x − p = r cos t , y − q = r sin t \displaystyle x-p=r {\cos } t,~y-q=r {\sin }t x − p = r cos t , y − q = r sin t 이므로 원은 다음의 매개 변수 t \displaystyle t t 로 나타내어진 함수이다.
<그림 3> x ( t ) = p + r cos t , y ( t ) = q + r sin t , 0 ≤ t < 2 π \displaystyle x(t)=p+r {\cos }t,~y(t)=q+r {\sin } t,~0 \le t<2 \pi x ( t ) = p + r cos t , y ( t ) = q + r sin t , 0 ≤ t < 2 π
+5점 · [5] (b) (b) 이제 f ( t ) = x ( t ) , g ( t ) = y ( t ) \displaystyle f(t)= x(t), g(t)=y(t) f ( t ) = x ( t ) , g ( t ) = y ( t ) 라고 하면 f ′ ( t ) = − r sin t \displaystyle f ^{\prime} (t)=-r {\sin } t f ′ ( t ) = − r sin t ,
g ′ ( t ) = r cos t \displaystyle g^{\prime}(t)=r\cos t g ′ ( t ) = r cos t , f ′ ′ ( t ) = − r cos t \displaystyle f^{\prime\prime}(t)=-r\cos t f ′′ ( t ) = − r cos t , g ′ ′ ( t ) = − r sin t \displaystyle g^{\prime\prime}(t)=-r\sin t g ′′ ( t ) = − r sin t 이다.
이들을 문항 [3]에서 얻은 d α d s \displaystyle \frac{d \alpha }{ds} d s d α 의 식 ⑦에 대입하고 항등식
cos 2 t + sin 2 t = 1 \displaystyle {\cos } ^{2} t+{\sin } ^{2} t=1 cos 2 t + sin 2 t = 1 을 이용하여 다음을 얻는다.
κ = ∣ d α d s ∣ ≡ ∣ g ′ ′ ( t ) f ′ ( t ) − g ′ ( t ) f ′ ′ ( t ) ∣ { { f ′ ( t ) } 2 + { g ′ ( t ) } 2 } 3 = ∣ r 2 sin 2 t + r 2 cos 2 t ∣ { r 2 sin 2 t + r 2 cos 2 t } 3 = r 2 r 3 = 1 r , r > 0 \displaystyle \begin{aligned}\kappa=\left|\frac{d\alpha}{ds}\right|&\equiv \frac{|g^{\prime\prime}(t)f^{\prime}(t)-g^{\prime}(t)f^{\prime\prime}(t)|}{\left\{\sqrt{\{f^{\prime}(t)\}^2+\{g^{\prime}(t)\}^2}\right\}^3}\\&=\frac{|r^2\sin^2t+r^2\cos^2t|}{\left\{\sqrt{r^2\sin^2t+r^2\cos^2t}\right\}^3}=\frac{r^2}{r^3}=\frac1r,~r>0\end{aligned} κ = d s d α ≡ { { f ′ ( t ) } 2 + { g ′ ( t ) } 2 } 3 ∣ g ′′ ( t ) f ′ ( t ) − g ′ ( t ) f ′′ ( t ) ∣ = { r 2 sin 2 t + r 2 cos 2 t } 3 ∣ r 2 sin 2 t + r 2 cos 2 t ∣ = r 3 r 2 = r 1 , r > 0
따라서 구하는 답은 다음과 같다.
κ = 1 r , r > 0 \displaystyle \kappa = \frac{1}{r},~ r >0 κ = r 1 , r > 0
(※ 매개 함수를 위의 것과 다르게 표현할 수도 있다. 그러나 κ \displaystyle \kappa κ 는 변하지 않는다.)
답안에 드러난 문제에 대한 이해도, 풀이의 완성도와 (수리적 계산과 논리 전개의) 정확도 등을 기준으로 <풀이 예시>를 참고하여 세부 배점에 관한 기준을 만들어 채점에 활용. 학생들의 풀이에서 필요한 함수들의 조건을 만족시키는지에 관한 언급 여부는 채점에 되도록 반영하지 않기 바람.