수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 좌표평면에 아래와 같은 두 원이 있다.원 C1:x2+y2=9\displaystyle \mathrm{C}_1: x^2+y^2=9원 C2:x2−8x+y2−6y+9=0\displaystyle \mathrm{C}_2: x^2-8x+y^2-6y+9=0

(나) 두 원 C1\displaystyle \mathrm{C}_1과 C2\displaystyle \mathrm{C}_2가 만나는 교점 중 하나를 A, 원 C2\displaystyle \mathrm{C}_2의 중심을 P, 원점을 O라고 하자.

(다) 점 Q는 원 C2\displaystyle \mathrm{C}_2 위의 점 중에서 원점 O와 가장 멀리 떨어진 점이다.

[2.1] ∠OQA=α\displaystyle \angle\mathrm{OQA}=\alpha라고 할 때, sin⁡α\displaystyle \sin\alpha의 값을 구하시오.

[2.2] ∠OAQ=β\displaystyle \angle\mathrm{OAQ}=\beta라고 할 때, cos⁡β\displaystyle \cos\beta의 값을 구하시오.

[2.3] 원 C1\displaystyle \mathrm{C}_1 위의 점 R1\displaystyle \mathrm{R}_1과 R2\displaystyle \mathrm{R}_2에서의 접선이 원 C2\displaystyle \mathrm{C}_2와 각각 한 점에서 만난다고 할 때, R1\displaystyle \mathrm{R}_1과 R2\displaystyle \mathrm{R}_2의 x\displaystyle x좌표의 합을 구하시오.

해설강의 준비중

[2.1] 원 C2\displaystyle \mathrm{C}_2의 방정식은 (x−4)2+(y−3)2=42\displaystyle (x-4)^2+(y-3)^2=4^2이므로 중심이 (4,3)\displaystyle (4,3)이고 반지름이 4\displaystyle 4인 원이다. 원 C1\displaystyle \mathrm{C}_1은 중심이 원점 O이고 반지름이 3\displaystyle 3인 원이다. 따라서 제시문으로부터 아래와 같이 두 원 C1\displaystyle \mathrm{C}_1, C2\displaystyle \mathrm{C}_2와 점 O, P, A, Q를 나타낼 수 있다.

두 원 C₁, C₂와 삼각형 OAP 및 점 Q

원 C1\displaystyle \mathrm{C}_1의 반지름이 3\displaystyle 3이므로 OA‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}=3이고, 원 C2\displaystyle \mathrm{C}_2의 반지름이 4\displaystyle 4이므로 AP‾=4\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}=4이다. 두 점 사이의 거리로부터 OP‾=32+42=5\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}=\sqrt{3^2+4^2}=5이다. 따라서 피타고라스의 정리에 의해 △OAP\displaystyle \triangle\mathrm{OAP}는 직각삼각형이다. 원주각과 중심각 사이의 관계로부터 ∠APO=2∠AQO=2α\displaystyle \angle\mathrm{APO}=2\angle\mathrm{AQO}=2\alpha이다. 따라서cos⁡2α=45\displaystyle \cos2\alpha=\frac45이다. 삼각함수의 덧셈공식으로부터cos⁡(α+α)=cos⁡2α−sin⁡2α=1−2sin⁡2α\displaystyle \cos(\alpha+\alpha)=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=1-2\sin^2\alpha이므로sin⁡α=1010\displaystyle \sin\alpha=\frac{\sqrt{10}}{10}이다. (α<π\displaystyle \alpha<\pi이기 때문에 sin⁡α\displaystyle \sin\alpha는 양수이다.)

[2.2] 삼각함수 덧셈공식으로부터 구하는 값은cos⁡β=cos⁡(π2+α)=−sin⁡α=−1010\displaystyle \cos\beta=\cos\left(\frac\pi2+\alpha\right)=-\sin\alpha=-\frac{\sqrt{10}}{10}이다.

[2.3] 원 C1\displaystyle \mathrm{C}_1 위의 한 점 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 접선의 방정식은ax+by=9\displaystyle ax+by=9이다. 이 접선이 원 C2\displaystyle \mathrm{C}_2와 한 점에서 만나므로, 이 직선과 원 C2\displaystyle \mathrm{C}_2의 중심 P 사이의 거리는 4\displaystyle 4이다.∣4a+3b−9∣a2+b2=4\displaystyle \frac{|4a+3b-9|}{\sqrt{a^2+b^2}}=4점 (a,b)\displaystyle (a,b)가 원 C1\displaystyle \mathrm{C}_1 위에 있으므로 a2+b2=9\displaystyle a^2+b^2=9이다. 따라서 점 R1\displaystyle \mathrm{R}_1과 R2\displaystyle \mathrm{R}_2의 좌표를 찾기 위해서는 연립방정식∣4a+3b−9∣=12,a2+b2=9\displaystyle |4a+3b-9|=12,\quad a^2+b^2=9를 만족하는 a\displaystyle a와 b\displaystyle b를 찾으면 된다. 먼저 4a+3b−9=12\displaystyle 4a+3b-9=12인 경우를 살펴보면 b=7−43a\displaystyle b=7-\frac43a이고 이를 a2+b2=9\displaystyle a^2+b^2=9에 대입하면259a2−563a+40=0\displaystyle \frac{25}9a^2-\frac{56}3a+40=0이므로 실근이 없다. 이제 4a+3b−9=−12\displaystyle 4a+3b-9=-12인 경우를 살펴보면, b=−1−43a\displaystyle b=-1-\frac43a이다. 이를 다시 a2+b2=9\displaystyle a^2+b^2=9에 대입하면259a2+83a−8=0\displaystyle \frac{25}9a^2+\frac83a-8=0을 얻는다. 이 방정식은 실근을 두 개 가지고, 근과 계수와의 관계로부터 점 R1\displaystyle \mathrm{R}_1과 점 R2\displaystyle \mathrm{R}_2의 x\displaystyle x좌표의 합은 −2425\displaystyle -\frac{24}{25}이다.

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