+2점 · [1] 주어진 x , y \displaystyle x, y~ x , y 를 제곱하면 다음을 얻는다. x 2 = 9 cos 4 t , y 2 = 9 sin 2 t cos 2 t \displaystyle x^{2} = 9 \cos ^{4} t, ~y^{2} = 9 \sin ^{2} t \cos ^{2} t x 2 = 9 cos 4 t , y 2 = 9 sin 2 t cos 2 t (또는 y 2 = 9 sin 2 t cos 2 t = 3 sin 2 t 3 cos 2 t \displaystyle y^{2} = 9 \sin ^{2} t \cos ^{2} t = 3 \sin ^{2} t 3 \cos ^{2} t y 2 = 9 sin 2 t cos 2 t = 3 sin 2 t 3 cos 2 t ) [1] 주어진 x , y \displaystyle x, y~ x , y 를 제곱하면 다음을 얻는다.
x 2 = 9 cos 4 t , y 2 = 9 sin 2 t cos 2 t \displaystyle x^{2} = 9 \cos ^{4} t, ~y^{2} = 9 \sin ^{2} t \cos ^{2} t x 2 = 9 cos 4 t , y 2 = 9 sin 2 t cos 2 t
(또는 y 2 = 9 sin 2 t cos 2 t = 3 sin 2 t 3 cos 2 t \displaystyle y^{2} = 9 \sin ^{2} t \cos ^{2} t = 3 \sin ^{2} t 3 \cos ^{2} t y 2 = 9 sin 2 t cos 2 t = 3 sin 2 t 3 cos 2 t )
+2점 · 이때 cos 2 t + sin 2 t = 1 \displaystyle \cos ^{2} t + \sin ^{2} t =1 cos 2 t + sin 2 t = 1 이고, x = 3 cos 2 t \displaystyle x= 3 \cos ^{2} t x = 3 cos 2 t 이므로 다음이 성립한다. x 2 + y 2 = 9 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) = 3 x \displaystyle x^{2} + y^{2} = 9 \cos ^{2} t (\cos ^{2} t + \sin ^{2} t ) = 3x x 2 + y 2 = 9 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) = 3 x (또는 y 2 = 3 ( 1 − cos 2 t ) x = 3 x − x 2 \displaystyle y^{2} = 3(1- \cos ^{2} t ) x = 3x - x^{2} y 2 = 3 ( 1 − cos 2 t ) x = 3 x − x 2 ) 이를 정리하면 다음과 같다. ( x − 3 2 ) 2 + y 2 = ( 3 2 ) 2 \displaystyle \left ( x- \frac{3}{2} \right )^{2} + y^{2} = \left ( \frac{3}{2} \right )^{2} ( x − 2 3 ) 2 + y 2 = ( 2 3 ) 2 또는 x 2 + y 2 = 3 x \displaystyle x^{2} + y^{2} = 3x x 2 + y 2 = 3 x 이때 cos 2 t + sin 2 t = 1 \displaystyle \cos ^{2} t + \sin ^{2} t =1 cos 2 t + sin 2 t = 1 이고, x = 3 cos 2 t \displaystyle x= 3 \cos ^{2} t x = 3 cos 2 t 이므로 다음이 성립한다.
x 2 + y 2 = 9 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) = 3 x \displaystyle x^{2} + y^{2} = 9 \cos ^{2} t (\cos ^{2} t + \sin ^{2} t ) = 3x x 2 + y 2 = 9 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) = 3 x
(또는 y 2 = 3 ( 1 − cos 2 t ) x = 3 x − x 2 \displaystyle y^{2} = 3(1- \cos ^{2} t ) x = 3x - x^{2} y 2 = 3 ( 1 − cos 2 t ) x = 3 x − x 2 )
이를 정리하면 다음과 같다.
( x − 3 2 ) 2 + y 2 = ( 3 2 ) 2 \displaystyle \left ( x- \frac{3}{2} \right )^{2} + y^{2} = \left ( \frac{3}{2} \right )^{2} ( x − 2 3 ) 2 + y 2 = ( 2 3 ) 2 또는 x 2 + y 2 = 3 x \displaystyle x^{2} + y^{2} = 3x x 2 + y 2 = 3 x
+2점 · 따라서 구하는 관계식은 중심이 ( 3 2 , 0 ) \displaystyle \left (\frac{3}{2}, 0 \right ) ( 2 3 , 0 ) 이고, 반지름이 3 2 \displaystyle \frac{3}{2} 2 3 인 원을 나타낸다. 따라서 구하는 관계식은 중심이 ( 3 2 , 0 ) \displaystyle \left (\frac{3}{2}, 0 \right ) ( 2 3 , 0 ) 이고, 반지름이 3 2 \displaystyle \frac{3}{2} 2 3 인 원을 나타낸다.
<그림 1> 점 P, Q가 만드는 곡선 +2점 · [2] 먼저 두 벡터를 구하면 다음과 같다. O P → = ( cos t + cos 2 t , sin t + 1 2 sin 2 t ) = ( cos t + cos 2 t , sin t + sin t cos t ) \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} = \left ( \cos t + \cos ^{2} t , \sin t + \frac{1}{2} \sin 2t \right ) = (\cos t + \cos ^{2} t , \sin t + \sin t \cos t ) OP = ( cos t + cos 2 t , sin t + 2 1 sin 2 t ) = ( cos t + cos 2 t , sin t + sin t cos t ) O Q → = ( 3 cos 2 t , 3 cos t s i n t ) \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}} ~=~(3 \cos ^{2} t, 3 \cos tsint ) OQ = ( 3 cos 2 t , 3 cos t s in t ) 두 벡터가 이루는 각을 θ \displaystyle \theta θ 라고 하자. 벡터의 내적에 의해 다음이 성립한다. O P → ⋅ O Q → = ∣ O P → ∣ ∣ O Q → ∣ cos θ \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OQ}} ~=| \overrightarrow{\mathrm{OP}} |~|\overrightarrow{\mathrm{OQ}} | \cos \theta OP ⋅ OQ = ∣ OP ∣ ∣ OQ ∣ cos θ 그런데 삼각함수의 성질을 이용하여 정리하면 O P → ⋅ O Q → = 3 cos 3 t + 3 cos 4 t + 3 cos t s i n 2 t + 3 cos 2 t sin 2 t \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OQ}} ~=~3 \cos ^{3} t+ 3 \cos ^{4} t + 3 \cos tsin^{2} t + 3 \cos ^{2} t \sin ^{2} t OP ⋅ OQ = 3 cos 3 t + 3 cos 4 t + 3 cos t s i n 2 t + 3 cos 2 t sin 2 t = 3 cos t ( cos 2 t + sin 2 t ) + 3 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) \displaystyle = 3 \cos t ( \cos ^{2} t + \sin ^{2} t ) + 3 \cos ^{2} t ( \cos ^{2} t + \sin ^{2} t ) = 3 cos t ( cos 2 t + sin 2 t ) + 3 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) = 3 cos t + 3 cos 2 t \displaystyle =3 \cos t + 3 \cos ^{2} t = 3 cos t + 3 cos 2 t = 3 cos t ( 1 + cos t ) \displaystyle = 3 \cos t (1 + \cos t ) = 3 cos t ( 1 + cos t ) [2] 먼저 두 벡터를 구하면 다음과 같다.
O P → = ( cos t + cos 2 t , sin t + 1 2 sin 2 t ) = ( cos t + cos 2 t , sin t + sin t cos t ) \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} = \left ( \cos t + \cos ^{2} t , \sin t + \frac{1}{2} \sin 2t \right ) = (\cos t + \cos ^{2} t , \sin t + \sin t \cos t ) OP = ( cos t + cos 2 t , sin t + 2 1 sin 2 t ) = ( cos t + cos 2 t , sin t + sin t cos t )
O Q → = ( 3 cos 2 t , 3 cos t s i n t ) \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}} ~=~(3 \cos ^{2} t, 3 \cos tsint ) OQ = ( 3 cos 2 t , 3 cos t s in t )
두 벡터가 이루는 각을 θ \displaystyle \theta θ 라고 하자. 벡터의 내적에 의해 다음이 성립한다.
O P → ⋅ O Q → = ∣ O P → ∣ ∣ O Q → ∣ cos θ \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OQ}} ~=| \overrightarrow{\mathrm{OP}} |~|\overrightarrow{\mathrm{OQ}} | \cos \theta OP ⋅ OQ = ∣ OP ∣ ∣ OQ ∣ cos θ
그런데 삼각함수의 성질을 이용하여 정리하면
O P → ⋅ O Q → = 3 cos 3 t + 3 cos 4 t + 3 cos t s i n 2 t + 3 cos 2 t sin 2 t \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OQ}} ~=~3 \cos ^{3} t+ 3 \cos ^{4} t + 3 \cos tsin^{2} t + 3 \cos ^{2} t \sin ^{2} t OP ⋅ OQ = 3 cos 3 t + 3 cos 4 t + 3 cos t s i n 2 t + 3 cos 2 t sin 2 t
= 3 cos t ( cos 2 t + sin 2 t ) + 3 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) \displaystyle = 3 \cos t ( \cos ^{2} t + \sin ^{2} t ) + 3 \cos ^{2} t ( \cos ^{2} t + \sin ^{2} t ) = 3 cos t ( cos 2 t + sin 2 t ) + 3 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t )
= 3 cos t + 3 cos 2 t \displaystyle =3 \cos t + 3 \cos ^{2} t = 3 cos t + 3 cos 2 t
= 3 cos t ( 1 + cos t ) \displaystyle = 3 \cos t (1 + \cos t ) = 3 cos t ( 1 + cos t )
+2점 · ∣ O P → ∣ = cos 2 t + 2 cos 3 t + cos 4 t + sin 2 t + 2 sin 2 t cos t + sin 2 t cos 2 t \displaystyle | \overrightarrow{\mathrm{OP}} | = \sqrt { \cos ^{2} t + 2 \cos ^{3} t + \cos ^{4} t +\sin ^{2} t + 2 \sin ^{2} t \cos t + \sin ^{2} t \cos ^{2} t} ∣ OP ∣ = cos 2 t + 2 cos 3 t + cos 4 t + sin 2 t + 2 sin 2 t cos t + sin 2 t cos 2 t = 1 + 2 cos 3 t + 2 sin 2 t cos t + cos 4 t + sin 2 t cos 2 t \displaystyle =\sqrt {1+ 2 \cos ^{3} t + 2 \sin ^{2} t \cos t + \cos ^{4} t + \sin ^{2} t \cos ^{2} t } = 1 + 2 cos 3 t + 2 sin 2 t cos t + cos 4 t + sin 2 t cos 2 t = 1 + 2 cos t ( cos 2 t + sin 2 t ) + cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) \displaystyle =\sqrt {1+ 2 \cos t (\cos ^{2} t + \sin ^{2} t )+ \cos ^{2} t(\cos ^{2} t + \sin ^{2} t) } = 1 + 2 cos t ( cos 2 t + sin 2 t ) + cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) = 1 + cos t \displaystyle = 1 + \cos t = 1 + cos t ∣ O P → ∣ = cos 2 t + 2 cos 3 t + cos 4 t + sin 2 t + 2 sin 2 t cos t + sin 2 t cos 2 t \displaystyle | \overrightarrow{\mathrm{OP}} | = \sqrt { \cos ^{2} t + 2 \cos ^{3} t + \cos ^{4} t +\sin ^{2} t + 2 \sin ^{2} t \cos t + \sin ^{2} t \cos ^{2} t} ∣ OP ∣ = cos 2 t + 2 cos 3 t + cos 4 t + sin 2 t + 2 sin 2 t cos t + sin 2 t cos 2 t
= 1 + 2 cos 3 t + 2 sin 2 t cos t + cos 4 t + sin 2 t cos 2 t \displaystyle =\sqrt {1+ 2 \cos ^{3} t + 2 \sin ^{2} t \cos t + \cos ^{4} t + \sin ^{2} t \cos ^{2} t } = 1 + 2 cos 3 t + 2 sin 2 t cos t + cos 4 t + sin 2 t cos 2 t
= 1 + 2 cos t ( cos 2 t + sin 2 t ) + cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) \displaystyle =\sqrt {1+ 2 \cos t (\cos ^{2} t + \sin ^{2} t )+ \cos ^{2} t(\cos ^{2} t + \sin ^{2} t) } = 1 + 2 cos t ( cos 2 t + sin 2 t ) + cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t )
= 1 + cos t \displaystyle = 1 + \cos t = 1 + cos t
+2점 · ∣ O Q → ∣ = 9 cos 4 t + 9 cos 2 t sin 2 t \displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{OQ}}|=\sqrt{9\cos^4t+9\cos^2t\sin^2t} ∣ OQ ∣ = 9 cos 4 t + 9 cos 2 t sin 2 t = 9 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) \displaystyle =\sqrt{9\cos^2t(\cos^2t+\sin^2t)} = 9 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) = 3 ∣ cos t ∣ \displaystyle = 3 |\cos t | = 3∣ cos t ∣ ∣ O Q → ∣ = 9 cos 4 t + 9 cos 2 t sin 2 t \displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{OQ}}|=\sqrt{9\cos^4t+9\cos^2t\sin^2t} ∣ OQ ∣ = 9 cos 4 t + 9 cos 2 t sin 2 t
= 9 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t ) \displaystyle =\sqrt{9\cos^2t(\cos^2t+\sin^2t)} = 9 cos 2 t ( cos 2 t + sin 2 t )
= 3 ∣ cos t ∣ \displaystyle = 3 |\cos t | = 3∣ cos t ∣
+2점 · 이므로 O P → ⋅ O Q → = ∣ O P → ∣ ∣ O Q → ∣ cos θ \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OQ}} = ~| \overrightarrow{\mathrm{OP}} | |\overrightarrow{\mathrm{OQ}} | \cos \theta OP ⋅ OQ = ∣ OP ∣∣ OQ ∣ cos θ 에서 다음을 얻는다. 3 cos t ( 1 + cos t ) = 3 ∣ cos t ∣ ( 1 + cos t ) cos θ \displaystyle 3 \cos t (1+\cos t) = 3|\cos t| (1+\cos t) \cos \theta 3 cos t ( 1 + cos t ) = 3∣ cos t ∣ ( 1 + cos t ) cos θ 이므로 O P → ⋅ O Q → = ∣ O P → ∣ ∣ O Q → ∣ cos θ \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OQ}} = ~| \overrightarrow{\mathrm{OP}} | |\overrightarrow{\mathrm{OQ}} | \cos \theta OP ⋅ OQ = ∣ OP ∣∣ OQ ∣ cos θ 에서 다음을 얻는다.
3 cos t ( 1 + cos t ) = 3 ∣ cos t ∣ ( 1 + cos t ) cos θ \displaystyle 3 \cos t (1+\cos t) = 3|\cos t| (1+\cos t) \cos \theta 3 cos t ( 1 + cos t ) = 3∣ cos t ∣ ( 1 + cos t ) cos θ
+2점 · 따라서 주어진 t \displaystyle t t 에 대해 다음을 얻는다. cos θ = cos t ∣ cos t ∣ , 0 < t < π , t ≠ π 2 \displaystyle \cos \theta = \frac{\cos t}{|\cos t|} , ~~0<t<\pi , t\ne \frac{\pi}{2} cos θ = ∣ cos t ∣ cos t , 0 < t < π , t = 2 π 그런데 ∣ cos t ∣ = { cos t , 0 < t < π 2 − cos t , π 2 < t < π \displaystyle |\cos t|= \begin{cases} ~~\cos t, ~0<t< \frac{\pi}{2}\\ -\cos t, ~\frac{\pi}{2} < t< \pi \end{cases} ∣ cos t ∣ = { cos t , 0 < t < 2 π − cos t , 2 π < t < π 이므로 다음이 성립한다. cos θ = { 1 , 0 < t < π 2 − 1 , π 2 < t < π \displaystyle \cos \theta = \begin{cases} ~~1,~0<t< \frac{\pi}{2} \\ -1, ~ \frac{\pi}{2} < t < \pi \end{cases} cos θ = { 1 , 0 < t < 2 π − 1 , 2 π < t < π 따라서 주어진 t \displaystyle t t 에 대해 다음을 얻는다.
cos θ = cos t ∣ cos t ∣ , 0 < t < π , t ≠ π 2 \displaystyle \cos \theta = \frac{\cos t}{|\cos t|} , ~~0<t<\pi , t\ne \frac{\pi}{2} cos θ = ∣ cos t ∣ cos t , 0 < t < π , t = 2 π
그런데 ∣ cos t ∣ = { cos t , 0 < t < π 2 − cos t , π 2 < t < π \displaystyle |\cos t|= \begin{cases} ~~\cos t, ~0<t< \frac{\pi}{2}\\ -\cos t, ~\frac{\pi}{2} < t< \pi \end{cases} ∣ cos t ∣ = { cos t , 0 < t < 2 π − cos t , 2 π < t < π 이므로 다음이 성립한다.
cos θ = { 1 , 0 < t < π 2 − 1 , π 2 < t < π \displaystyle \cos \theta = \begin{cases} ~~1,~0<t< \frac{\pi}{2} \\ -1, ~ \frac{\pi}{2} < t < \pi \end{cases} cos θ = { 1 , 0 < t < 2 π − 1 , 2 π < t < π
+2점 · 이로부터 다음을 얻는다. θ = { 0 , 0 < t < π 2 π , π 2 < t < π \displaystyle \theta = \begin{cases} 0, ~0<t< \frac{\pi}{2}\\ \pi , ~\frac{\pi}{2} < t< \pi \end{cases} θ = { 0 , 0 < t < 2 π π , 2 π < t < π 이로부터 다음을 얻는다.
θ = { 0 , 0 < t < π 2 π , π 2 < t < π \displaystyle \theta = \begin{cases} 0, ~0<t< \frac{\pi}{2}\\ \pi , ~\frac{\pi}{2} < t< \pi \end{cases} θ = { 0 , 0 < t < 2 π π , 2 π < t < π
+2점 · [3] (a) 두 곡선이 t \displaystyle t t 일 때 만나면 두 점의 대응하는 성분이 같아야 하므로 다음이 성립한다. cos t + cos 2 t = 3 cos 2 t , sin t + cos t sin t = 3 cos t sin t , 0 ≤ t ≤ π \displaystyle \cos t + \cos ^{2} t = 3 \cos ^{2} t , ~~ \sin t + \cos t \sin t = 3 \cos t \sin t , ~~0 \le t \le \pi cos t + cos 2 t = 3 cos 2 t , sin t + cos t sin t = 3 cos t sin t , 0 ≤ t ≤ π 이를 정리하면 다음 연립 방정식을 얻는다. cos t ( 1 − 2 cos t ) = 0 , sin t ( 1 − 2 cos t ) = 0 , 0 ≤ t ≤ π \displaystyle \cos t (1-2 \cos t) = 0, ~\sin t (1-2 \cos t ) =0,~0 \le t \le \pi cos t ( 1 − 2 cos t ) = 0 , sin t ( 1 − 2 cos t ) = 0 , 0 ≤ t ≤ π [3] (a) 두 곡선이 t \displaystyle t t 일 때 만나면 두 점의 대응하는 성분이 같아야 하므로 다음이 성립한다.
cos t + cos 2 t = 3 cos 2 t , sin t + cos t sin t = 3 cos t sin t , 0 ≤ t ≤ π \displaystyle \cos t + \cos ^{2} t = 3 \cos ^{2} t , ~~ \sin t + \cos t \sin t = 3 \cos t \sin t , ~~0 \le t \le \pi cos t + cos 2 t = 3 cos 2 t , sin t + cos t sin t = 3 cos t sin t , 0 ≤ t ≤ π
이를 정리하면 다음 연립 방정식을 얻는다.
cos t ( 1 − 2 cos t ) = 0 , sin t ( 1 − 2 cos t ) = 0 , 0 ≤ t ≤ π \displaystyle \cos t (1-2 \cos t) = 0, ~\sin t (1-2 \cos t ) =0,~0 \le t \le \pi cos t ( 1 − 2 cos t ) = 0 , sin t ( 1 − 2 cos t ) = 0 , 0 ≤ t ≤ π
+2점 · 따라서 cos t = 1 2 , t = π 3 \displaystyle \cos t = \frac{1}{2} , t = \frac{\pi}{3} cos t = 2 1 , t = 3 π 이다. 따라서 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 의 좌표는 다음과 같다. 따라서 cos t = 1 2 , t = π 3 \displaystyle \cos t = \frac{1}{2} , t = \frac{\pi}{3} cos t = 2 1 , t = 3 π 이다. 따라서 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 의 좌표는 다음과 같다.
+2점 · C ( 3 4 , 3 3 4 ) \displaystyle \mathrm{C} \left ( \frac{3}{4} , \frac{3\sqrt 3 }{4} \right ) C ( 4 3 , 4 3 3 ) C ( 3 4 , 3 3 4 ) \displaystyle \mathrm{C} \left ( \frac{3}{4} , \frac{3\sqrt 3 }{4} \right ) C ( 4 3 , 4 3 3 )
+2점 · (b) 원점과 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 를 잇는 직선의 기울기 α \displaystyle \alpha α 는 다음과 같다. α = 3 3 4 3 4 = 3 \displaystyle \alpha=\frac{\frac{3\sqrt3}{4}}{\frac34}=\sqrt3 α = 4 3 4 3 3 = 3 (b) 원점과 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 를 잇는 직선의 기울기 α \displaystyle \alpha α 는 다음과 같다.
α = 3 3 4 3 4 = 3 \displaystyle \alpha=\frac{\frac{3\sqrt3}{4}}{\frac34}=\sqrt3 α = 4 3 4 3 3 = 3
+2점 · 한편, tan β = 3 \displaystyle \tan \beta = \sqrt 3 tan β = 3 이므로 β = π 3 \displaystyle \beta = \frac{\pi}{3} β = 3 π 이다. 한편, tan β = 3 \displaystyle \tan \beta = \sqrt 3 tan β = 3 이므로 β = π 3 \displaystyle \beta = \frac{\pi}{3} β = 3 π 이다.
+2점 · [4] (a) 문항 [3]에서 t 0 = π 3 \displaystyle t_{0} = \frac{\pi}{3} t 0 = 3 π 이므로 점 P ( x , y ) \displaystyle \mathrm{P}(x,y) P ( x , y ) 에 대해 다음을 얻는다. d y d t = cos t + cos 2 t = 1 2 − 1 2 = 0 , \displaystyle \frac{dy}{dt} = \cos t + \cos 2t = \frac{1}{2} - \frac{1}{2} = 0, d t d y = cos t + cos 2 t = 2 1 − 2 1 = 0 , d x d t = − sin t − 2 sin t cos t = − 3 2 − 2 ⋅ 3 2 ⋅ 1 2 = − 3 \displaystyle \frac{dx}{dt} = -\sin t - 2 \sin t \cos t = - \frac{\sqrt 3}{2} - 2 \cdot \frac{\sqrt 3}{2} \cdot \frac{1}{2} = - \sqrt 3 d t d x = − sin t − 2 sin t cos t = − 2 3 − 2 ⋅ 2 3 ⋅ 2 1 = − 3 ※ 여기서 분모만 계산한 경우에도 [2점] [4] (a) 문항 [3]에서 t 0 = π 3 \displaystyle t_{0} = \frac{\pi}{3} t 0 = 3 π 이므로 점 P ( x , y ) \displaystyle \mathrm{P}(x,y) P ( x , y ) 에 대해 다음을 얻는다.
d y d t = cos t + cos 2 t = 1 2 − 1 2 = 0 , \displaystyle \frac{dy}{dt} = \cos t + \cos 2t = \frac{1}{2} - \frac{1}{2} = 0, d t d y = cos t + cos 2 t = 2 1 − 2 1 = 0 ,
d x d t = − sin t − 2 sin t cos t = − 3 2 − 2 ⋅ 3 2 ⋅ 1 2 = − 3 \displaystyle \frac{dx}{dt} = -\sin t - 2 \sin t \cos t = - \frac{\sqrt 3}{2} - 2 \cdot \frac{\sqrt 3}{2} \cdot \frac{1}{2} = - \sqrt 3 d t d x = − sin t − 2 sin t cos t = − 2 3 − 2 ⋅ 2 3 ⋅ 2 1 = − 3
+2점 · 이로부터 점 P \displaystyle \mathrm{P} P 가 만드는 곡선 위의 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 에 대응하는 t \displaystyle t t 에서 다음을 얻는다. d y d x = d y d t d x d t = 0 \displaystyle \frac{dy}{dx} = \frac{ \frac{ dy}{dt } }{ \frac{ dx}{ dt} } =0 d x d y = d t d x d t d y = 0 이로부터 점 P \displaystyle \mathrm{P} P 가 만드는 곡선 위의 점 C \displaystyle \mathrm{C} C 에 대응하는 t \displaystyle t t 에서 다음을 얻는다.
d y d x = d y d t d x d t = 0 \displaystyle \frac{dy}{dx} = \frac{ \frac{ dy}{dt } }{ \frac{ dx}{ dt} } =0 d x d y = d t d x d t d y = 0
+2점 · (b) 문항 [1]에서 점 Q \displaystyle \mathrm{Q} Q 가 만드는 곡선은 다음과 같은 원임을 보였다. ( x − 3 2 ) 2 + y 2 = ( 3 2 ) 2 \displaystyle \left ( x- \frac{3}{2} \right )^{2} + y^{2} = \left ( \frac{3}{2} \right )^{2} ( x − 2 3 ) 2 + y 2 = ( 2 3 ) 2 또는 x 2 + y 2 = 3 x \displaystyle x^{2} + y^{2} = 3x x 2 + y 2 = 3 x 이로부터 음함수 미분법을 사용하면 다음을 얻는다. 2 x + 2 y d y d x = 3 \displaystyle 2x+2y\frac{dy}{dx}=3 2 x + 2 y d x d y = 3 또는 d y d x = 3 − 2 x 2 y \displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{3-2x}{2y} d x d y = 2 y 3 − 2 x (b) 문항 [1]에서 점 Q \displaystyle \mathrm{Q} Q 가 만드는 곡선은 다음과 같은 원임을 보였다.
( x − 3 2 ) 2 + y 2 = ( 3 2 ) 2 \displaystyle \left ( x- \frac{3}{2} \right )^{2} + y^{2} = \left ( \frac{3}{2} \right )^{2} ( x − 2 3 ) 2 + y 2 = ( 2 3 ) 2 또는 x 2 + y 2 = 3 x \displaystyle x^{2} + y^{2} = 3x x 2 + y 2 = 3 x
이로부터 음함수 미분법을 사용하면 다음을 얻는다.
2 x + 2 y d y d x = 3 \displaystyle 2x+2y\frac{dy}{dx}=3 2 x + 2 y d x d y = 3 또는 d y d x = 3 − 2 x 2 y \displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{3-2x}{2y} d x d y = 2 y 3 − 2 x
+2점 · 따라서 점 C ( 3 4 , 3 3 4 ) \displaystyle \mathrm{C} \left ( \frac{3}{4} , \frac{3\sqrt 3}{4} \right ) C ( 4 3 , 4 3 3 ) 에서 접선의 방정식의 기울기는 다음과 같다. d y d x = 3 − 2 ⋅ 3 4 2 ⋅ 3 3 4 = 3 3 \displaystyle \frac{dy}{dx} = \frac{ 3-2\cdot \frac{3}{4}}{ 2 \cdot \frac{3\sqrt 3}{4} } = \frac{\sqrt 3}{3} d x d y = 2 ⋅ 4 3 3 3 − 2 ⋅ 4 3 = 3 3 따라서 점 C ( 3 4 , 3 3 4 ) \displaystyle \mathrm{C} \left ( \frac{3}{4} , \frac{3\sqrt 3}{4} \right ) C ( 4 3 , 4 3 3 ) 에서 접선의 방정식의 기울기는 다음과 같다.
d y d x = 3 − 2 ⋅ 3 4 2 ⋅ 3 3 4 = 3 3 \displaystyle \frac{dy}{dx} = \frac{ 3-2\cdot \frac{3}{4}}{ 2 \cdot \frac{3\sqrt 3}{4} } = \frac{\sqrt 3}{3} d x d y = 2 ⋅ 4 3 3 3 − 2 ⋅ 4 3 = 3 3
+3점 · 따라서 구하는 접선의 방정식은 다음과 같다. y − 3 3 4 = 3 3 ( x − 3 4 ) \displaystyle y- \frac{3\sqrt 3}{4} = \frac{\sqrt 3}{3} \left ( x- \frac{3}{4} \right ) y − 4 3 3 = 3 3 ( x − 4 3 ) 또는 y = 3 3 x + 3 2 \displaystyle y= \frac{\sqrt 3}{3} x + \frac{\sqrt 3}{2} y = 3 3 x + 2 3 따라서 구하는 접선의 방정식은 다음과 같다.
y − 3 3 4 = 3 3 ( x − 3 4 ) \displaystyle y- \frac{3\sqrt 3}{4} = \frac{\sqrt 3}{3} \left ( x- \frac{3}{4} \right ) y − 4 3 3 = 3 3 ( x − 4 3 ) 또는 y = 3 3 x + 3 2 \displaystyle y= \frac{\sqrt 3}{3} x + \frac{\sqrt 3}{2} y = 3 3 x + 2 3
+2점 · [5] 점 P \displaystyle \mathrm{P} P 에 대해 { x ′ ( t ) = − sin t − 2 cos t sin t = − sin t − sin 2 t y ′ ( t ) = cos t + cos 2 t \displaystyle \begin{cases} x^{\prime}(t) = -\sin t -2 \cos t \sin t = -\sin t - \sin 2t \\ y^{\prime}(t) = \cos t + \cos 2t \end{cases} { x ′ ( t ) = − sin t − 2 cos t sin t = − sin t − sin 2 t y ′ ( t ) = cos t + cos 2 t 이므로 다음을 얻는다. ( x ′ ( t ) ) 2 + ( y ′ ( t ) ) 2 = sin 2 t + 2 sin t sin 2 t + sin 2 2 t + cos 2 t + 2 cos t cos 2 t + cos 2 2 t \displaystyle (x^{\prime}(t))^2+(y^{\prime}(t))^2=\sin^2t+2\sin t\sin2t+\sin^22t+\cos^2t+2\cos t\cos2t+\cos^22t ( x ′ ( t ) ) 2 + ( y ′ ( t ) ) 2 = sin 2 t + 2 sin t sin 2 t + sin 2 2 t + cos 2 t + 2 cos t cos 2 t + cos 2 2 t = 2 + 2 { cos 2 t cos t + sin 2 t sin t } = 2 ( 1 + cos t ) \displaystyle =2+ 2 \left\{ \cos 2t \cos t + \sin 2t \sin t \right\} = 2(1+ \cos t) = 2 + 2 { cos 2 t cos t + sin 2 t sin t } = 2 ( 1 + cos t ) = 4 cos 2 t 2 \displaystyle = 4 \cos ^{2} {\frac{t}{2}} = 4 cos 2 2 t [5] 점 P \displaystyle \mathrm{P} P 에 대해
{ x ′ ( t ) = − sin t − 2 cos t sin t = − sin t − sin 2 t y ′ ( t ) = cos t + cos 2 t \displaystyle \begin{cases} x^{\prime}(t) = -\sin t -2 \cos t \sin t = -\sin t - \sin 2t \\ y^{\prime}(t) = \cos t + \cos 2t \end{cases} { x ′ ( t ) = − sin t − 2 cos t sin t = − sin t − sin 2 t y ′ ( t ) = cos t + cos 2 t
이므로 다음을 얻는다.
( x ′ ( t ) ) 2 + ( y ′ ( t ) ) 2 = sin 2 t + 2 sin t sin 2 t + sin 2 2 t + cos 2 t + 2 cos t cos 2 t + cos 2 2 t \displaystyle (x^{\prime}(t))^2+(y^{\prime}(t))^2=\sin^2t+2\sin t\sin2t+\sin^22t+\cos^2t+2\cos t\cos2t+\cos^22t ( x ′ ( t ) ) 2 + ( y ′ ( t ) ) 2 = sin 2 t + 2 sin t sin 2 t + sin 2 2 t + cos 2 t + 2 cos t cos 2 t + cos 2 2 t
= 2 + 2 { cos 2 t cos t + sin 2 t sin t } = 2 ( 1 + cos t ) \displaystyle =2+ 2 \left\{ \cos 2t \cos t + \sin 2t \sin t \right\} = 2(1+ \cos t) = 2 + 2 { cos 2 t cos t + sin 2 t sin t } = 2 ( 1 + cos t )
= 4 cos 2 t 2 \displaystyle = 4 \cos ^{2} {\frac{t}{2}} = 4 cos 2 2 t
+2점 · 따라서 구간 0 ≤ t ≤ s \displaystyle 0 \le t \le s 0 ≤ t ≤ s 에 대응하는 구하는 곡선의 길이 D ( s ) \displaystyle D(s) D ( s ) 는 다음과 같다. D ( s ) = ∫ 0 s ( x ′ ( t ) ) 2 + ( y ′ ( t ) ) 2 d t = ∫ 0 s 2 cos t 2 d t = [ 4 sin t 2 ] 0 s = 4 sin s 2 \displaystyle D(s) = \int _{ 0} ^{s } { \sqrt {(x^{\prime}(t))^{2} +(y^{\prime}(t))^{2} } }dt = \int _{ 0} ^{ s} {2 \cos \frac{t}{2} }dt = \Biggl[ 4 \sin \frac{t}{2} \Biggr]_{0}^s =4 \sin \frac{s}{2} D ( s ) = ∫ 0 s ( x ′ ( t ) ) 2 + ( y ′ ( t ) ) 2 d t = ∫ 0 s 2 cos 2 t d t = [ 4 sin 2 t ] 0 s = 4 sin 2 s 따라서 구간 0 ≤ t ≤ s \displaystyle 0 \le t \le s 0 ≤ t ≤ s 에 대응하는 구하는 곡선의 길이 D ( s ) \displaystyle D(s) D ( s ) 는 다음과 같다.
D ( s ) = ∫ 0 s ( x ′ ( t ) ) 2 + ( y ′ ( t ) ) 2 d t = ∫ 0 s 2 cos t 2 d t = [ 4 sin t 2 ] 0 s = 4 sin s 2 \displaystyle D(s) = \int _{ 0} ^{s } { \sqrt {(x^{\prime}(t))^{2} +(y^{\prime}(t))^{2} } }dt = \int _{ 0} ^{ s} {2 \cos \frac{t}{2} }dt = \Biggl[ 4 \sin \frac{t}{2} \Biggr]_{0}^s =4 \sin \frac{s}{2} D ( s ) = ∫ 0 s ( x ′ ( t ) ) 2 + ( y ′ ( t ) ) 2 d t = ∫ 0 s 2 cos 2 t d t = [ 4 sin 2 t ] 0 s = 4 sin 2 s
+3점 · 한편, 점 Q \displaystyle \mathrm{Q} Q 에 대해 { x ′ ( t ) = − 6 cos t sin t = − 3 sin 2 t y ′ ( t ) = 3 cos 2 t \displaystyle \begin{cases} x^{\prime}(t) = -6 \cos t \sin t = -3 \sin 2t \\ y^{\prime}(t) =3 \cos 2t \end{cases} { x ′ ( t ) = − 6 cos t sin t = − 3 sin 2 t y ′ ( t ) = 3 cos 2 t 이므로 구간 0 ≤ t ≤ s \displaystyle 0 \le t \le s 0 ≤ t ≤ s 에 대응하는 곡선의 길이 L ( s ) \displaystyle L(s) L ( s ) 는 다음과 같다. L ( s ) = ∫ 0 s { x ′ ( t ) } 2 + { y ′ ( t ) } 2 d t = ∫ 0 s 3 sin 2 2 t + cos 2 2 t d t = [ 3 t ] 0 s = 3 s \displaystyle L(s) = \int _{ 0} ^{s } { \sqrt {\{x^{\prime}(t)\}^{2}+\{y^{\prime}(t)\}^{2} } }dt = \int _{ 0} ^{s } 3{ \sqrt {\sin ^{2} 2t+\cos ^{2} 2t } }dt =\Biggl[3t\Biggr]_{0}^s = 3s L ( s ) = ∫ 0 s { x ′ ( t ) } 2 + { y ′ ( t ) } 2 d t = ∫ 0 s 3 sin 2 2 t + cos 2 2 t d t = [ 3 t ] 0 s = 3 s 한편, 점 Q \displaystyle \mathrm{Q} Q 에 대해
{ x ′ ( t ) = − 6 cos t sin t = − 3 sin 2 t y ′ ( t ) = 3 cos 2 t \displaystyle \begin{cases} x^{\prime}(t) = -6 \cos t \sin t = -3 \sin 2t \\ y^{\prime}(t) =3 \cos 2t \end{cases} { x ′ ( t ) = − 6 cos t sin t = − 3 sin 2 t y ′ ( t ) = 3 cos 2 t
이므로 구간 0 ≤ t ≤ s \displaystyle 0 \le t \le s 0 ≤ t ≤ s 에 대응하는 곡선의 길이 L ( s ) \displaystyle L(s) L ( s ) 는 다음과 같다.
L ( s ) = ∫ 0 s { x ′ ( t ) } 2 + { y ′ ( t ) } 2 d t = ∫ 0 s 3 sin 2 2 t + cos 2 2 t d t = [ 3 t ] 0 s = 3 s \displaystyle L(s) = \int _{ 0} ^{s } { \sqrt {\{x^{\prime}(t)\}^{2}+\{y^{\prime}(t)\}^{2} } }dt = \int _{ 0} ^{s } 3{ \sqrt {\sin ^{2} 2t+\cos ^{2} 2t } }dt =\Biggl[3t\Biggr]_{0}^s = 3s L ( s ) = ∫ 0 s { x ′ ( t ) } 2 + { y ′ ( t ) } 2 d t = ∫ 0 s 3 sin 2 2 t + cos 2 2 t d t = [ 3 t ] 0 s = 3 s
+4점 · 따라서 lim x → 0 sin x x = 1 \displaystyle \lim _{ x\to 0} { \frac{\sin x}{x} =1} x → 0 lim x sin x = 1 을 이용하면 다음을 얻는다. lim s → + 0 D ( s ) L ( s ) = lim s → + 0 4 sin s 2 3 s = lim s → + 0 4 sin s 2 6 s 2 = 2 3 \displaystyle \lim _{ s \to +0} { \frac{ D(s)}{L(s) } }=\lim _{ s \to +0} { \frac{ 4 \sin \frac{s}{2}}{3s } } =\lim _{ s \to +0} { \frac{ 4 \sin \frac{s}{2}}{6 \frac{s}{2} } } = \frac{2}{3} s → + 0 lim L ( s ) D ( s ) = s → + 0 lim 3 s 4 sin 2 s = s → + 0 lim 6 2 s 4 sin 2 s = 3 2 따라서 lim x → 0 sin x x = 1 \displaystyle \lim _{ x\to 0} { \frac{\sin x}{x} =1} x → 0 lim x sin x = 1 을 이용하면 다음을 얻는다.
lim s → + 0 D ( s ) L ( s ) = lim s → + 0 4 sin s 2 3 s = lim s → + 0 4 sin s 2 6 s 2 = 2 3 \displaystyle \lim _{ s \to +0} { \frac{ D(s)}{L(s) } }=\lim _{ s \to +0} { \frac{ 4 \sin \frac{s}{2}}{3s } } =\lim _{ s \to +0} { \frac{ 4 \sin \frac{s}{2}}{6 \frac{s}{2} } } = \frac{2}{3} s → + 0 lim L ( s ) D ( s ) = s → + 0 lim 3 s 4 sin 2 s = s → + 0 lim 6 2 s 4 sin 2 s = 3 2