수리논술, 이게 다다.

자연계열 B 1번

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문제

[문제 1] 아래 글을 읽고, 각 물음에 답하시오.

좌표평면에 원 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2가 있다. 시각 t\displaystyle t에서 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2의 반지름은 각각 r1(t)>0\displaystyle r_1(t)>0, r2(t)=1t2+1\displaystyle r_2(t)=\frac1{t^2+1}이다. 원 C1\displaystyle C_1의 중심 O1\displaystyle \mathrm O_1의 좌표는 (0,r1(t))\displaystyle (0,r_1(t))이고, 원 C2\displaystyle C_2의 중심 O2\displaystyle \mathrm O_2는 제1사분면에 있다. 원 C2\displaystyle C_2는 원 C1\displaystyle C_1에 외접하고 x\displaystyle x축에 접한다. 함수 r1(t)\displaystyle r_1(t)는 t≥0\displaystyle t\ge0에서 연속이며, t>0\displaystyle t>0에서 미분가능하고 다음을 만족시킨다.

{r1(t)}2=∫0t(x−13)r1(x) dx+∫01r1(x) dx(t≥0)\displaystyle \{r_1(t)\}^2=\int_0^t\left(x-\frac13\right)r_1(x)\,dx+\int_0^1r_1(x)\,dx\quad(t\ge0)

(1-1) 시각 t=2\displaystyle t=2에서 원 C1\displaystyle C_1의 중심 O1\displaystyle \mathrm O_1의 속력을 구하시오. (60점)

(1-2) 시각 t=2\displaystyle t=2에서 원 C1\displaystyle C_1의 반지름 r1(2)\displaystyle r_1(2)를 구하시오. (60점)

(1-3) 원 C1\displaystyle C_1과 C2\displaystyle C_2의 접점을 P라 하고, 점 P를 지나면서 두 원에 동시에 접하는 직선을 ℓ\displaystyle \ell이라 하고, 직선 ℓ\displaystyle \ell이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 Q라 하자.

시각 t=2\displaystyle t=2에서 점 P의 좌표, 점 Q의 좌표, 점 Q의 속력을 각각 구하시오. (60점)

해설강의 준비중

[문제 1]

30점 · 2r1(t)r′(t)=(t−13)r1(t)\displaystyle 2r_1(t)r\prime(t)=\left(t-\frac13\right)r_1(t) 또는 r′(t)=t2−16\displaystyle r\prime(t)=\frac t2-\frac16

(1-1) 준식 r1(t)2=∫0t(x−13)r1(x) dx+∫01r1(x) dx\displaystyle r_1(t)^2=\int_0^t\left(x-\frac13\right)r_1(x)\,dx+\int_0^1r_1(x)\,dx의 양변을 미분하면2r1(t)r1′(t)=(t−13)r1(t)\displaystyle 2r_1(t)r_1\prime(t)=\left(t-\frac13\right)r_1(t)이므로, r1′(t)=12t−16\displaystyle r_1\prime(t)=\frac12t-\frac16이다.

60점

따라서 t=2\displaystyle t=2에서 원 C1\displaystyle C_1의 중심의 속력은 ∣r1′(2)∣=r1′(2)=56\displaystyle |r_1\prime(2)|=r_1\prime(2)=\frac56이다.

10점 · r1(t)=14t2−16t+k\displaystyle r_1(t)=\frac14t^2-\frac16t+k까지

(1-2) r1′(t)=12t−16\displaystyle r_1\prime(t)=\frac12t-\frac16로부터 r1(t)=14t2−16t+k\displaystyle r_1(t)=\frac14t^2-\frac16t+k이고, 모든 t≥0\displaystyle t\ge0에서 r1(t)>0\displaystyle r_1(t)>0이므로 k=r1(0)>0\displaystyle k=r_1(0)>0이다.

준식r1(t)2=∫0t(x−13)r1(x) dx+∫01r1(x) dx\displaystyle r_1(t)^2=\int_0^t\left(x-\frac13\right)r_1(x)\,dx+\int_0^1r_1(x)\,dx로부터 r1(0)2=∫01r1(x) dx\displaystyle r_1(0)^2=\int_0^1r_1(x)\,dx인데,

50점 · k2=k\displaystyle k^2=k까지

r1(0)=k\displaystyle r_1(0)=k이고 ∫01r1(x) dx=∫01(14x2−16x+k) dx=k\displaystyle \int_0^1r_1(x)\,dx=\int_0^1\left(\frac14x^2-\frac16x+k\right)\,dx=k이므로, k2=k\displaystyle k^2=k가 된다.

60점

k>0\displaystyle k>0이므로 k=1\displaystyle k=1이다.따라서 r1(t)=14t2−16t+1\displaystyle r_1(t)=\frac14t^2-\frac16t+1이므로 r1(2)=53\displaystyle r_1(2)=\frac53이다.

(1-3) 시각 t\displaystyle t에서 원 C2\displaystyle C_2의 중심 O2\displaystyle \mathrm O_2의 좌표는

O2=((r1(t)+r2(t))2−(r1(t)−r2(t))2,r2(t))=(2r1(t)r2(t),r2(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)이다.

접점 P는 선분 O1O2\displaystyle \mathrm O_1\mathrm O_2를 r1(t):r2(t)\displaystyle r_1(t):r_2(t)로 내분하는 점이므로, 점 P의 좌표는

(r1⋅2r1r2+r2⋅0r1+r2,r1r2+r2r1r1+r2)=(2r1r1r2r1+r2,2r1r2r1+r2)\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)이다.

+20점 · 점 P(25342,514)\displaystyle \mathrm P\left(\frac{25\sqrt3}{42},\frac5{14}\right)

r1(2)=53\displaystyle r_1(2)=\frac53, r2(2)=15\displaystyle r_2(2)=\frac15이므로, t=2\displaystyle t=2에서 점 P의 좌표는 (25342,514)\displaystyle \left(\frac{25\sqrt3}{42},\frac5{14}\right)이다.

직선 ℓ\displaystyle \ell은 점 P에서 원 C1\displaystyle C_1에 접하고, C1:x2+(y−r1)2=r12\displaystyle C_1:x^2+(y-r_1)^2=r_1^2이므로,

P(2r1r1r2r1+r2,2r1r2r1+r2)=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)라 할 때, P에서 C1\displaystyle C_1의 접선의 식은

ℓ:ax+(b−r1)(y−r1)=r12\displaystyle \ell:ax+(b-r_1)(y-r_1)=r_1^2이다.

(원 x2+y2=r2\displaystyle x^2+y^2=r^2 위의 점 (x1,y1)\displaystyle (x_1,y_1)에서의 접선 공식 x1x+y1y=r2\displaystyle x_1x+y_1y=r^2를 평행 이동하여 얻을 수 있다.)

Q의 좌표를 (q,0)\displaystyle (q,0)이라 하면, aq+(b−r1)(0−r1)=r12\displaystyle aq+(b-r_1)(0-r_1)=r_1^2이 되어,

+20점 · 점 Q(33,0)\displaystyle \mathrm Q\left(\frac{\sqrt3}3,0\right)

q(t)=bar1(t)=r1(t)r2(t)\displaystyle q(t)=\frac ba r_1(t)=\sqrt{r_1(t)r_2(t)}이다. 따라서 t=2\displaystyle t=2에서 점 Q의 좌표는 (33,0)\displaystyle \left(\frac{\sqrt3}3,0\right)이다.

q′(t)=r1′(t)r2(t)+r1(t)r2′(t)2r1(t)r2(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)}}이고 r1(2)=53\displaystyle r_1(2)=\frac53, r2(2)=15\displaystyle r_2(2)=\frac15, r1′(2)=56\displaystyle r_1\prime(2)=\frac56, r2′(2)=−425\displaystyle r_2\prime(2)=-\frac4{25}이므로,

+20점 · ∣q′(2)∣=320\displaystyle |q\prime(2)|=\frac{\sqrt3}{20} (+20점) (q′(2)=−320\displaystyle q\prime(2)=-\frac{\sqrt3}{20}만 있으면: +10점만)

t=2\displaystyle t=2에서 점 Q의 속력은 ∣q′(2)∣=−q′(2)=320\displaystyle |q\prime(2)|=-q\prime(2)=\frac{\sqrt3}{20}이다.

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