[문제 1]
30점 · 2 r 1 ( t ) r ′ ( t ) = ( t − 1 3 ) r 1 ( t ) \displaystyle 2r_1(t)r\prime(t)=\left(t-\frac13\right)r_1(t) 2 r 1 ( t ) r ′ ( t ) = ( t − 3 1 ) r 1 ( t ) 또는 r ′ ( t ) = t 2 − 1 6 \displaystyle r\prime(t)=\frac t2-\frac16 r ′ ( t ) = 2 t − 6 1 (1-1) 준식 r 1 ( t ) 2 = ∫ 0 t ( x − 1 3 ) r 1 ( x ) d x + ∫ 0 1 r 1 ( x ) d x \displaystyle r_1(t)^2=\int_0^t\left(x-\frac13\right)r_1(x)\,dx+\int_0^1r_1(x)\,dx r 1 ( t ) 2 = ∫ 0 t ( x − 3 1 ) r 1 ( x ) d x + ∫ 0 1 r 1 ( x ) d x 의 양변을 미분하면 2 r 1 ( t ) r 1 ′ ( t ) = ( t − 1 3 ) r 1 ( t ) \displaystyle 2r_1(t)r_1\prime(t)=\left(t-\frac13\right)r_1(t) 2 r 1 ( t ) r 1 ′ ( t ) = ( t − 3 1 ) r 1 ( t ) 이므로, r 1 ′ ( t ) = 1 2 t − 1 6 \displaystyle r_1\prime(t)=\frac12t-\frac16 r 1 ′ ( t ) = 2 1 t − 6 1 이다.
60점 따라서 t = 2 \displaystyle t=2 t = 2 에서 원 C 1 \displaystyle C_1 C 1 의 중심의 속력은 ∣ r 1 ′ ( 2 ) ∣ = r 1 ′ ( 2 ) = 5 6 \displaystyle |r_1\prime(2)|=r_1\prime(2)=\frac56 ∣ r 1 ′ ( 2 ) ∣ = r 1 ′ ( 2 ) = 6 5 이다.
10점 · r 1 ( t ) = 1 4 t 2 − 1 6 t + k \displaystyle r_1(t)=\frac14t^2-\frac16t+k r 1 ( t ) = 4 1 t 2 − 6 1 t + k 까지 (1-2) r 1 ′ ( t ) = 1 2 t − 1 6 \displaystyle r_1\prime(t)=\frac12t-\frac16 r 1 ′ ( t ) = 2 1 t − 6 1 로부터 r 1 ( t ) = 1 4 t 2 − 1 6 t + k \displaystyle r_1(t)=\frac14t^2-\frac16t+k r 1 ( t ) = 4 1 t 2 − 6 1 t + k 이고, 모든 t ≥ 0 \displaystyle t\ge0 t ≥ 0 에서 r 1 ( t ) > 0 \displaystyle r_1(t)>0 r 1 ( t ) > 0 이므로 k = r 1 ( 0 ) > 0 \displaystyle k=r_1(0)>0 k = r 1 ( 0 ) > 0 이다.
준식 r 1 ( t ) 2 = ∫ 0 t ( x − 1 3 ) r 1 ( x ) d x + ∫ 0 1 r 1 ( x ) d x \displaystyle r_1(t)^2=\int_0^t\left(x-\frac13\right)r_1(x)\,dx+\int_0^1r_1(x)\,dx r 1 ( t ) 2 = ∫ 0 t ( x − 3 1 ) r 1 ( x ) d x + ∫ 0 1 r 1 ( x ) d x 로부터 r 1 ( 0 ) 2 = ∫ 0 1 r 1 ( x ) d x \displaystyle r_1(0)^2=\int_0^1r_1(x)\,dx r 1 ( 0 ) 2 = ∫ 0 1 r 1 ( x ) d x 인데,
50점 · k 2 = k \displaystyle k^2=k k 2 = k 까지 r 1 ( 0 ) = k \displaystyle r_1(0)=k r 1 ( 0 ) = k 이고 ∫ 0 1 r 1 ( x ) d x = ∫ 0 1 ( 1 4 x 2 − 1 6 x + k ) d x = k \displaystyle \int_0^1r_1(x)\,dx=\int_0^1\left(\frac14x^2-\frac16x+k\right)\,dx=k ∫ 0 1 r 1 ( x ) d x = ∫ 0 1 ( 4 1 x 2 − 6 1 x + k ) d x = k 이므로, k 2 = k \displaystyle k^2=k k 2 = k 가 된다.
60점 k > 0 \displaystyle k>0 k > 0 이므로 k = 1 \displaystyle k=1 k = 1 이다.따라서 r 1 ( t ) = 1 4 t 2 − 1 6 t + 1 \displaystyle r_1(t)=\frac14t^2-\frac16t+1 r 1 ( t ) = 4 1 t 2 − 6 1 t + 1 이므로 r 1 ( 2 ) = 5 3 \displaystyle r_1(2)=\frac53 r 1 ( 2 ) = 3 5 이다.
(1-3) 시각 t \displaystyle t t 에서 원 C 2 \displaystyle C_2 C 2 의 중심 O 2 \displaystyle \mathrm O_2 O 2 의 좌표는
O 2 = ( ( r 1 ( t ) + r 2 ( t ) ) 2 − ( r 1 ( t ) − r 2 ( t ) ) 2 , r 2 ( t ) ) = ( 2 r 1 ( t ) r 2 ( t ) , r 2 ( t ) ) \displaystyle \mathrm O_2=\left(\sqrt{(r_1(t)+r_2(t))^2-(r_1(t)-r_2(t))^2},r_2(t)\right)=\left(2\sqrt{r_1(t)r_2(t)},r_2(t)\right) O 2 = ( ( r 1 ( t ) + r 2 ( t ) ) 2 − ( r 1 ( t ) − r 2 ( t ) ) 2 , r 2 ( t ) ) = ( 2 r 1 ( t ) r 2 ( t ) , r 2 ( t ) ) 이다.
접점 P는 선분 O 1 O 2 \displaystyle \mathrm O_1\mathrm O_2 O 1 O 2 를 r 1 ( t ) : r 2 ( t ) \displaystyle r_1(t):r_2(t) r 1 ( t ) : r 2 ( t ) 로 내분하는 점이므로, 점 P의 좌표는
( r 1 ⋅ 2 r 1 r 2 + r 2 ⋅ 0 r 1 + r 2 , r 1 r 2 + r 2 r 1 r 1 + r 2 ) = ( 2 r 1 r 1 r 2 r 1 + r 2 , 2 r 1 r 2 r 1 + r 2 ) \displaystyle \left(\frac{r_1\cdot2\sqrt{r_1r_2}+r_2\cdot0}{r_1+r_2},\frac{r_1r_2+r_2r_1}{r_1+r_2}\right)=\left(\frac{2r_1\sqrt{r_1r_2}}{r_1+r_2},\frac{2r_1r_2}{r_1+r_2}\right) ( r 1 + r 2 r 1 ⋅ 2 r 1 r 2 + r 2 ⋅ 0 , r 1 + r 2 r 1 r 2 + r 2 r 1 ) = ( r 1 + r 2 2 r 1 r 1 r 2 , r 1 + r 2 2 r 1 r 2 ) 이다.
+20점 · 점 P ( 25 3 42 , 5 14 ) \displaystyle \mathrm P\left(\frac{25\sqrt3}{42},\frac5{14}\right) P ( 42 25 3 , 14 5 ) r 1 ( 2 ) = 5 3 \displaystyle r_1(2)=\frac53 r 1 ( 2 ) = 3 5 , r 2 ( 2 ) = 1 5 \displaystyle r_2(2)=\frac15 r 2 ( 2 ) = 5 1 이므로, t = 2 \displaystyle t=2 t = 2 에서 점 P의 좌표는 ( 25 3 42 , 5 14 ) \displaystyle \left(\frac{25\sqrt3}{42},\frac5{14}\right) ( 42 25 3 , 14 5 ) 이다.
직선 ℓ \displaystyle \ell ℓ 은 점 P에서 원 C 1 \displaystyle C_1 C 1 에 접하고, C 1 : x 2 + ( y − r 1 ) 2 = r 1 2 \displaystyle C_1:x^2+(y-r_1)^2=r_1^2 C 1 : x 2 + ( y − r 1 ) 2 = r 1 2 이므로,
P ( 2 r 1 r 1 r 2 r 1 + r 2 , 2 r 1 r 2 r 1 + r 2 ) = P ( a , b ) \displaystyle \mathrm P\left(\frac{2r_1\sqrt{r_1r_2}}{r_1+r_2},\frac{2r_1r_2}{r_1+r_2}\right)=\mathrm P(a,b) P ( r 1 + r 2 2 r 1 r 1 r 2 , r 1 + r 2 2 r 1 r 2 ) = P ( a , b ) 라 할 때, P에서 C 1 \displaystyle C_1 C 1 의 접선의 식은
ℓ : a x + ( b − r 1 ) ( y − r 1 ) = r 1 2 \displaystyle \ell:ax+(b-r_1)(y-r_1)=r_1^2 ℓ : a x + ( b − r 1 ) ( y − r 1 ) = r 1 2 이다.
(원 x 2 + y 2 = r 2 \displaystyle x^2+y^2=r^2 x 2 + y 2 = r 2 위의 점 ( x 1 , y 1 ) \displaystyle (x_1,y_1) ( x 1 , y 1 ) 에서의 접선 공식 x 1 x + y 1 y = r 2 \displaystyle x_1x+y_1y=r^2 x 1 x + y 1 y = r 2 를 평행 이동하여 얻을 수 있다.)
Q의 좌표를 ( q , 0 ) \displaystyle (q,0) ( q , 0 ) 이라 하면, a q + ( b − r 1 ) ( 0 − r 1 ) = r 1 2 \displaystyle aq+(b-r_1)(0-r_1)=r_1^2 a q + ( b − r 1 ) ( 0 − r 1 ) = r 1 2 이 되어,
+20점 · 점 Q ( 3 3 , 0 ) \displaystyle \mathrm Q\left(\frac{\sqrt3}3,0\right) Q ( 3 3 , 0 ) q ( t ) = b a r 1 ( t ) = r 1 ( t ) r 2 ( t ) \displaystyle q(t)=\frac ba r_1(t)=\sqrt{r_1(t)r_2(t)} q ( t ) = a b r 1 ( t ) = r 1 ( t ) r 2 ( t ) 이다. 따라서 t = 2 \displaystyle t=2 t = 2 에서 점 Q의 좌표는 ( 3 3 , 0 ) \displaystyle \left(\frac{\sqrt3}3,0\right) ( 3 3 , 0 ) 이다.
q ′ ( t ) = r 1 ′ ( t ) r 2 ( t ) + r 1 ( t ) r 2 ′ ( t ) 2 r 1 ( t ) r 2 ( t ) \displaystyle q\prime(t)=\frac{r_1\prime(t)r_2(t)+r_1(t)r_2\prime(t)}{2\sqrt{r_1(t)r_2(t)}} q ′ ( t ) = 2 r 1 ( t ) r 2 ( t ) r 1 ′ ( t ) r 2 ( t ) + r 1 ( t ) r 2 ′ ( t ) 이고 r 1 ( 2 ) = 5 3 \displaystyle r_1(2)=\frac53 r 1 ( 2 ) = 3 5 , r 2 ( 2 ) = 1 5 \displaystyle r_2(2)=\frac15 r 2 ( 2 ) = 5 1 , r 1 ′ ( 2 ) = 5 6 \displaystyle r_1\prime(2)=\frac56 r 1 ′ ( 2 ) = 6 5 , r 2 ′ ( 2 ) = − 4 25 \displaystyle r_2\prime(2)=-\frac4{25} r 2 ′ ( 2 ) = − 25 4 이므로,
+20점 · ∣ q ′ ( 2 ) ∣ = 3 20 \displaystyle |q\prime(2)|=\frac{\sqrt3}{20} ∣ q ′ ( 2 ) ∣ = 20 3 (+20점) (q ′ ( 2 ) = − 3 20 \displaystyle q\prime(2)=-\frac{\sqrt3}{20} q ′ ( 2 ) = − 20 3 만 있으면: +10점만) t = 2 \displaystyle t=2 t = 2 에서 점 Q의 속력은 ∣ q ′ ( 2 ) ∣ = − q ′ ( 2 ) = 3 20 \displaystyle |q\prime(2)|=-q\prime(2)=\frac{\sqrt3}{20} ∣ q ′ ( 2 ) ∣ = − q ′ ( 2 ) = 20 3 이다.