(가)아래 그림과 같이 평면상에 포물선(x=y2,y≥0)과 원((x−10)2+y2=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.
[2.1] 원이 포물선과 만날 때, (1) 원의 중심 좌표, (2) 원과 포물선의 교점을 구하시오.
[2.2] 원이 1회전을 하는데 π초의 시간이 걸린다. 원이 포물선과 만날 때까지 걸린 시간을 구하고, 이때 ∠OCA를 구하시오.
[2.3] 원이 포물선과 만날 때, 원의 중심과 접점을 연결하는 선이 x축과 이루는 각을 α라고 하자. 이때 원과 포물선과 x축으로 둘러싸인 부분의 넓이를 구하시오.
해설강의 준비중
서울과학기술대 2019학년도 수시 오전 자연계열 2번 · mathesis.kr/archive/seoultech/2019su_am/jayeon_2
[2.1] 원은 포물선과 접하게 될 때 멈춘다.이때 원의 중심 좌표를 (m,0)이라고 한다면 원의 방정식은 (x−m)2+y2=4이고,이 식에 포물선 방정식(x=y2,y≥0)을 적용하면 다음과 같다.(x−m)2+x=4이고 이를 전개하면 x2+(1−2m)x+m2−4=0이 된다.포물선과 원이 접할 때 x에 대해 하나의 해를 가지기 때문에 근의 공식에서 판별식의 값이 0이다.(1−2m)2−4(m2−4)=0의 방정식을 풀면 −4m+17=0, m=417이 된다.따라서 원의 중심은 (417,0)이다.x2+(1−2m)x+m2−4=0이 되는 식에 m값을 적용하면 x2−215x+16225=(x−415)2=0이 된다.따라서 원과 포물선의 교점은 (415,215)이다.
[2.2] 원이 1회전을 할 때 원의 중심이 이동하는 거리는 4π(=2πr)이다.따라서 원 중심의 이동속도는 초당 4(=π4π)이다.원 중심의 총 이동거리가 423(=10−417)이므로 이동 1623(=423÷4)초이다.A점은 π초 동안 2π를 회전하므로 1623초 동안에는 총 823(=π2π×1623)을 회전하게 된다.이는 π(=3.14)보다 작으므로 ∠OCA=π−823이다.
[2.3] 원점과 접점이 마주보는 꼭짓점으로 하는 직사각형 넓이(A)=415×215=81515포물선과 y축 사이의 넓이(B)=∫0215y2dy=(215)3÷3=241515=8515x축과 각도 α를 갖는 부채꼴의 넓이(C)=21×22×α=2α직사각형(S)와 교차하지 않는 부채꼴 부분의 넓이(D)=21×21×215=815따라서 둘러싸인 부분의 넓이는 (S)−(B)−((C)−(D))=81515−8515−2α+815=81115−2α