수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 아래 그림과 같이 평면상에 포물선(x=y2,y≥0\displaystyle x=y^2,y\geq0)과 원((x−10)2+y2=4\displaystyle (x-10)^2+y^2=4)이 있다.

(나) 이 원이 바닥면 위에서 원점(O)을 향해 미끄러지지 않고 구르다가 포물선과 만나면 멈춘다.

(다) 점 A는 원 위에 고정된 점이고, 점 C는 원의 중심이다.

바닥면 위에서 포물선 x=y² 쪽으로 굴러가는 원과 각 α

[2.1] 원이 포물선과 만날 때, (1) 원의 중심 좌표, (2) 원과 포물선의 교점을 구하시오.

[2.2] 원이 1\displaystyle 1회전을 하는데 π\displaystyle \pi초의 시간이 걸린다. 원이 포물선과 만날 때까지 걸린 시간을 구하고, 이때 ∠OCA\displaystyle \angle\mathrm{OCA}를 구하시오.

[2.3] 원이 포물선과 만날 때, 원의 중심과 접점을 연결하는 선이 x\displaystyle x축과 이루는 각을 α\displaystyle \alpha라고 하자. 이때 원과 포물선과 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 부분의 넓이를 구하시오.

해설강의 준비중

[2.1] 원은 포물선과 접하게 될 때 멈춘다.이때 원의 중심 좌표를 (m,0)\displaystyle (m,0)이라고 한다면 원의 방정식은 (x−m)2+y2=4\displaystyle (x-m)^2+y^2=4이고,이 식에 포물선 방정식(x=y2,y≥0\displaystyle x=y^2,y\geq0)을 적용하면 다음과 같다.(x−m)2+x=4\displaystyle (x-m)^2+x=4이고 이를 전개하면 x2+(1−2m)x+m2−4=0\displaystyle x^2+(1-2m)x+m^2-4=0이 된다.포물선과 원이 접할 때 x\displaystyle x에 대해 하나의 해를 가지기 때문에 근의 공식에서 판별식의 값이 0\displaystyle 0이다.(1−2m)2−4(m2−4)=0\displaystyle (1-2m)^2-4(m^2-4)=0의 방정식을 풀면 −4m+17=0\displaystyle -4m+17=0, m=174\displaystyle m=\frac{17}4이 된다.따라서 원의 중심은 (174,0)\displaystyle \left(\frac{17}4,0\right)이다.x2+(1−2m)x+m2−4=0\displaystyle x^2+(1-2m)x+m^2-4=0이 되는 식에 m\displaystyle m값을 적용하면 x2−152x+22516=(x−154)2=0\displaystyle x^2-\frac{15}2x+\frac{225}{16}=\left(x-\frac{15}4\right)^2=0이 된다.따라서 원과 포물선의 교점은 (154,152)\displaystyle \left(\frac{15}4,\frac{\sqrt{15}}2\right)이다.

[2.2] 원이 1\displaystyle 1회전을 할 때 원의 중심이 이동하는 거리는 4π(=2πr)\displaystyle 4\pi(=2\pi r)이다.따라서 원 중심의 이동속도는 초당 4(=4ππ)\displaystyle 4\left(=\frac{4\pi}\pi\right)이다.원 중심의 총 이동거리가 234(=10−174)\displaystyle \frac{23}4\left(=10-\frac{17}4\right)이므로 이동 2316(=234÷4)\displaystyle \frac{23}{16}\left(=\frac{23}4\div4\right)초이다.A점은 π\displaystyle \pi초 동안 2π\displaystyle 2\pi를 회전하므로 2316\displaystyle \frac{23}{16}초 동안에는 총 238(=2ππ×2316)\displaystyle \frac{23}8\left(=\frac{2\pi}\pi\times\frac{23}{16}\right)을 회전하게 된다.이는 π(=3.14)\displaystyle \pi(=3.14)보다 작으므로 ∠OCA=π−238\displaystyle \angle\mathrm{OCA}=\pi-\frac{23}8이다.

[2.3] 원점과 접점이 마주보는 꼭짓점으로 하는 직사각형 넓이(A)=154×152=15158\displaystyle (\mathrm A)=\frac{15}4\times\frac{\sqrt{15}}2=\frac{15\sqrt{15}}8포물선과 y\displaystyle y축 사이의 넓이(B)=∫0152y2 dy=(152)3÷3=151524=5158\displaystyle (\mathrm B)=\int_0^{\frac{\sqrt{15}}2}y^2\,dy=\left(\frac{\sqrt{15}}2\right)^3\div3=\frac{15\sqrt{15}}{24}=\frac{5\sqrt{15}}8x\displaystyle x축과 각도 α\displaystyle \alpha를 갖는 부채꼴의 넓이(C)=12×22×α=2α\displaystyle (\mathrm C)=\frac12\times2^2\times\alpha=2\alpha직사각형(S)와 교차하지 않는 부채꼴 부분의 넓이(D)=12×12×152=158\displaystyle (\mathrm D)=\frac12\times\frac12\times\frac{\sqrt{15}}2=\frac{\sqrt{15}}8따라서 둘러싸인 부분의 넓이는 (S)−(B)−((C)−(D))=15158−5158−2α+158=11158−2α\displaystyle (\mathrm S)-(\mathrm B)-((\mathrm C)-(\mathrm D))=\frac{15\sqrt{15}}8-\frac{5\sqrt{15}}8-2\alpha+\frac{\sqrt{15}}8=\frac{11\sqrt{15}}8-2\alpha

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