수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 실수 k\displaystyle k에 대하여 sin⁡α=sin⁡β=k\displaystyle \sin\alpha=\sin\beta=k와 4sin⁡(α+2β)=3cos⁡(2α+β)\displaystyle 4\sin(\alpha+2\beta)=3\cos(2\alpha+\beta)가 성립한다.(단, 0<α<β<π\displaystyle 0<\alpha<\beta<\pi)

(나) 아래 그림과 같이, 기울기가 −34\displaystyle -\frac34인 직선 l\displaystyle l은 x\displaystyle x축 위의 점 A와 y\displaystyle y축 위의 점 B를 지나며 곡선 y=38x2+5k\displaystyle y=\frac38x^2+5k와 점 P에서 접한다.

(다) 삼각형 OAB에 내접하고 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원을 x\displaystyle x축의 방향으로 a\displaystyle a만큼, y\displaystyle y축의 방향으로 b\displaystyle b만큼 평행이동한 도형은 x\displaystyle x축과 직선 l\displaystyle l에 동시에 접한다.(단, 0<a<5,b<0\displaystyle 0<a<5,b<0)

포물선의 접선 l과 삼각형 OAB의 내접원

[2.1] 제시문 (가)의 실수 k\displaystyle k의 값을 구하시오.

※ 문항 [2.2]와 [2.3]은 [2.1]에서 구한 k\displaystyle k를 이용하시오.

[2.2] 반지름의 길이 r\displaystyle r의 값을 구하시오.

[2.3] 상수 a\displaystyle a와 b\displaystyle b의 값을 각각 구하시오.

해설강의 준비중
+3점

[2.1] sin⁡α=sin⁡β\displaystyle \sin\alpha=\sin\beta이고 0<α<β<π\displaystyle 0<\alpha<\beta<\pi이므로 α+β=π\displaystyle \alpha+\beta=\pi이다.

+3점

sin⁡(α+2β)=sin⁡(π+β)=−sin⁡β=−sin⁡α,cos⁡(2α+β)=cos⁡(π+α)=−cos⁡α\displaystyle \sin(\alpha+2\beta)=\sin(\pi+\beta)=-\sin\beta=-\sin\alpha,\quad\cos(2\alpha+\beta)=\cos(\pi+\alpha)=-\cos\alpha이므로 4sin⁡(α+2β)=3cos⁡(2α+β)\displaystyle 4\sin(\alpha+2\beta)=3\cos(2\alpha+\beta)에서 tan⁡α=34\displaystyle \tan\alpha=\frac34이다. 따라서 k=sin⁡α=35\displaystyle k=\sin\alpha=\frac35이다.

+4점 · 34t=−34\displaystyle \frac34t=-\frac34, 즉, t=−1\displaystyle t=-1이다.

[2.2] y=38x2+3\displaystyle y=\frac38x^2+3에서 y′=34x\displaystyle y^{\prime}=\frac34x이고, 점 P의 x\displaystyle x좌표를 t\displaystyle t라 하면 직선 l\displaystyle l의 기울기는 −34\displaystyle -\frac34이므로 34t=−34\displaystyle \frac34t=-\frac34, 즉, t=−1\displaystyle t=-1이다.

+4점 · 직선 l\displaystyle l의 방정식은 y=−34x+218\displaystyle y=-\frac34x+\frac{21}{8}이고

직선 l\displaystyle l은 점 P(−1,278)\displaystyle \mathrm{P}\left(-1,\frac{27}{8}\right)을 지나므로 직선 l\displaystyle l의 방정식은 y=−34x+218\displaystyle y=-\frac34x+\frac{21}{8}이고

+4점 · r=72+218−3582=78\displaystyle r=\frac{\frac72+\frac{21}{8}-\frac{35}{8}}2=\frac78이다.

A(72,0)\displaystyle \mathrm{A}\left(\frac72,0\right), B(0,218)\displaystyle \mathrm{B}\left(0,\frac{21}{8}\right)이다. 직각삼각형 OAB의 각 변의 길이의 비는 OA‾:OB‾:AB‾=4:3:5\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}:\overline{\mathrm{OB}}:\overline{\mathrm{AB}}=4:3:5이므로 AB‾=358\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\frac{35}{8}이다. 따라서, 직각삼각형 OAB에 내접하는 원의 반지름의 길이는 r=72+218−3582=78\displaystyle r=\frac{\frac72+\frac{21}{8}-\frac{35}{8}}2=\frac78이다.

+4점 · b=−2r=−74\displaystyle b=-2r=-\frac74이다.

[2.3] 직각삼각형 OAB에 내접하는 원의 중심은 (78,78)\displaystyle \left(\frac78,\frac78\right)이다. b<0\displaystyle b<0이고 평행이동한 원은 x\displaystyle x축에 접하므로 중심은 (c,−78)\displaystyle \left(c,-\frac78\right)이라 할 수 있고 b=−2r=−74\displaystyle b=-2r=-\frac74이다.

+8점 · 0<a<5\displaystyle 0<a<5를 만족하는 a=73\displaystyle a=\frac73이다.

또 평행이동한 원은 직선 l\displaystyle l에 접하므로 원의 중심 (c,−78)\displaystyle \left(c,-\frac78\right)에서 직선 l:6x+8y−21=0\displaystyle l:6x+8y-21=0까지의 거리는 r\displaystyle r와 같아야 한다. 따라서∣6c−8×78−21∣62+82=∣6c−28∣10=78\displaystyle \frac{\left|6c-8\times\frac78-21\right|}{\sqrt{6^2+8^2}}=\frac{|6c-28|}{10}=\frac78이므로 c=498\displaystyle c=\frac{49}{8}, 7724\displaystyle \frac{77}{24}이다. 이때 a=c−r=214\displaystyle a=c-r=\frac{21}{4}, 73\displaystyle \frac73이므로 0<a<5\displaystyle 0<a<5를 만족하는 a=73\displaystyle a=\frac73이다.

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