다음 그림과 같이 직선 y=−n1x+n2n+1 (n은 1보다 큰 자연수)을 따라 직진하는 레이저 광선이 곡선 y2=4x (y≥0) 모양의 거울에서 반사된다. 레이저 광선은 점 P에서 반사된 후 직선 l의 경로로 진행한다. 이때 ∠APB=∠BPQ=θ이다.
[2.1] 점 P에서 법선의 방정식을 구하시오. (12점)
[2.2] 점 P에서의 법선과 직선 y=−n1x+n2n+1이 이루는 예각의 크기를 θ라 할 때, cosθ를 구하시오. (8점)
[2.3] 반사된 레이저 광선의 경로를 나타내는 직선 l의 방정식을 구하시오. (9점)
[2.4] 레이저 광선의 경로 y=−n1x+n2n+1에서 자연수 n이 점점 커질 때, 반사된 레이저 광선의 경로와 x축이 만나는 점 Q는 어느 점에 가까워지는지 구하시오. (4점)
해설강의 준비중
서울과학기술대 2017학년도 수시 오후 자연계열 2번 · mathesis.kr/archive/seoultech/2017su_pm/jayeon_2
[2.1] 거울의 방정식과 레이저 광선의 방정식을 연립하여 풀면y2+4ny−8n−4=0이므로(y−2)(y+4n+2)=0이다. 그런데 거울은 y≥0에서만 정의되므로 교점 P의 좌표는 (1,2)이다. 또 y2=4x를 x에 대하여 미분하면y′=y2이므로 점 P에서 접선의 기울기는 1이고, 법선의 기울기는 −1이다. 따라서 법선의 방정식은y−2=−(x−1)즉, y=−x+3이다.
[2.2] 직선 y=−n1x+n2n+1의 방향벡터는 PA=(n,−1)이고 법선의 방향벡터는 PB=(1,−1)이므로cosθ=∣(n,−1)∣∣(1,−1)∣(n,−1)⋅(1,−1)=2n2+1n+1이다.
[2.3] 직선 l의 방향벡터를 u=(1,k)라 하면, 법선의 방향벡터 PB=(1,−1)과 u 사이의 각이 θ이므로21+k21−k=cosθ=2n2+1n+1이어야 한다. 이 식을 간단히 하면nk2+(n2+1)k+n=0즉,(nk+1)(k+n)=0이므로 k=−n1,−n이다. 여기서 k=−n1일 때는 주어진 직선 y=−n1x+n2n+1의 방향벡터를 나타내므로, k=−n이다. 즉 직선 l의 방향벡터는 (1,−n)이다. 따라서 직선 l의 방정식은1x−1=−ny−2즉, y=−nx+n+2이다.
[2.4] 직선 l이 x축과 만나는 점의 x좌표는 nn+2이다. n→∞limnn+2=1이므로 점 Q는 점 (1,0)에 가까워진다.