수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (총33점)

다음 그림과 같이 직선 y=−1nx+2n+1n\displaystyle y=-\frac1nx+\frac{2n+1}n (n\displaystyle n은 1\displaystyle 1보다 큰 자연수)을 따라 직진하는 레이저 광선이 곡선 y2=4x\displaystyle y^2=4x (y≥0\displaystyle y\geq0) 모양의 거울에서 반사된다. 레이저 광선은 점 P\displaystyle \mathrm P에서 반사된 후 직선 l\displaystyle l의 경로로 진행한다. 이때 ∠APB=∠BPQ=θ\displaystyle \angle\mathrm{APB}=\angle\mathrm{BPQ}=\theta이다.

포물선 거울에서 반사되는 레이저 광선과 점 P, A, B, Q

[2.1] 점 P\displaystyle \mathrm P에서 법선의 방정식을 구하시오. (12점)

[2.2] 점 P\displaystyle \mathrm P에서의 법선과 직선 y=−1nx+2n+1n\displaystyle y=-\frac1nx+\frac{2n+1}n이 이루는 예각의 크기를 θ\displaystyle \theta라 할 때, cos⁡θ\displaystyle \cos\theta를 구하시오. (8점)

[2.3] 반사된 레이저 광선의 경로를 나타내는 직선 l\displaystyle l의 방정식을 구하시오. (9점)

[2.4] 레이저 광선의 경로 y=−1nx+2n+1n\displaystyle y=-\frac1nx+\frac{2n+1}n에서 자연수 n\displaystyle n이 점점 커질 때, 반사된 레이저 광선의 경로와 x\displaystyle x축이 만나는 점 Q\displaystyle \mathrm Q는 어느 점에 가까워지는지 구하시오. (4점)

해설강의 준비중

[2.1] 거울의 방정식과 레이저 광선의 방정식을 연립하여 풀면y2+4ny−8n−4=0\displaystyle y^2+4ny-8n-4=0이므로(y−2)(y+4n+2)=0\displaystyle (y-2)(y+4n+2)=0이다. 그런데 거울은 y≥0\displaystyle y\geq0에서만 정의되므로 교점 P\displaystyle \mathrm P의 좌표는 (1,2)\displaystyle (1,2)이다. 또 y2=4x\displaystyle y^2=4x를 x\displaystyle x에 대하여 미분하면y′=2y\displaystyle y^{\prime}=\frac2y이므로 점 P\displaystyle \mathrm P에서 접선의 기울기는 1\displaystyle 1이고, 법선의 기울기는 −1\displaystyle -1이다. 따라서 법선의 방정식은y−2=−(x−1)\displaystyle y-2=-(x-1)즉, y=−x+3\displaystyle y=-x+3이다.

[2.2] 직선 y=−1nx+2n+1n\displaystyle y=-\frac1nx+\frac{2n+1}n의 방향벡터는 PA→=(n,−1)\displaystyle \overrightarrow{PA}=(n,-1)이고 법선의 방향벡터는 PB→=(1,−1)\displaystyle \overrightarrow{PB}=(1,-1)이므로cos⁡θ=(n,−1)⋅(1,−1)∣(n,−1)∣ ∣(1,−1)∣=n+12n2+1\displaystyle \cos\theta=\frac{(n,-1)\cdot(1,-1)}{|(n,-1)|\,|(1,-1)|}=\frac{n+1}{\sqrt2\sqrt{n^2+1}}이다.

[2.3] 직선 l\displaystyle l의 방향벡터를 u⃗=(1,k)\displaystyle \vec u=(1,k)라 하면, 법선의 방향벡터 PB→=(1,−1)\displaystyle \overrightarrow{PB}=(1,-1)과 u⃗\displaystyle \vec u 사이의 각이 θ\displaystyle \theta이므로1−k21+k2=cos⁡θ=n+12n2+1\displaystyle \frac{1-k}{\sqrt2\sqrt{1+k^2}}=\cos\theta=\frac{n+1}{\sqrt2\sqrt{n^2+1}}이어야 한다. 이 식을 간단히 하면nk2+(n2+1)k+n=0\displaystyle nk^2+(n^2+1)k+n=0즉,(nk+1)(k+n)=0\displaystyle (nk+1)(k+n)=0이므로 k=−1n, −n\displaystyle k=-\frac1n,\,-n이다. 여기서 k=−1n\displaystyle k=-\frac1n일 때는 주어진 직선 y=−1nx+2n+1n\displaystyle y=-\frac1nx+\frac{2n+1}n의 방향벡터를 나타내므로, k=−n\displaystyle k=-n이다. 즉 직선 l\displaystyle l의 방향벡터는 (1,−n)\displaystyle (1,-n)이다. 따라서 직선 l\displaystyle l의 방정식은x−11=y−2−n\displaystyle \frac{x-1}1=\frac{y-2}{-n}즉, y=−nx+n+2\displaystyle y=-nx+n+2이다.

[2.4] 직선 l\displaystyle l이 x\displaystyle x축과 만나는 점의 x\displaystyle x좌표는 n+2n\displaystyle \frac{n+2}n이다. lim⁡n→∞n+2n=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{n+2}n=1이므로 점 Q\displaystyle \mathrm Q는 점 (1,0)\displaystyle (1,0)에 가까워진다.

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