수리논술, 이게 다다.

자연계열 수학1

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문제

[수학1]다음 <제시문1> ~ <제시문5>을 읽고 [수학1-ⅰ] ~ [수학1-ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오

<제시문1>좌표평면 위의 두 점 A(x1,y1)\displaystyle \mathrm{A}(x_{1},y_{1}), B(x2,y2)\displaystyle \mathrm{B}(x_{2},y_{2})를 잇는 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 m:n(m>0,n>0)\displaystyle m:n(m>0,n>0)으로 내분하는 점의 좌표는(mx2+nx1m+n,my2+ny1m+n)\displaystyle \left(\frac{mx_{2}+nx_{1}}{m+n},\frac{my_{2}+ny_{1}}{m+n}\right)

<제시문2>두 초점 F(c,0)\displaystyle \mathrm{F}(c,0), F′(−c,0)\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}(-c,0)로부터 거리의 합이 2a\displaystyle 2a인 타원의 방정식은x2a2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}=1 (단, a>c>0\displaystyle a>c>0, b2=a2−c2\displaystyle b^{2}=a^{2}-c^{2})

<제시문3>함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 x\displaystyle x축 및 두 직선 x=a\displaystyle x=a, x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는S=∫ab∣f(x)∣dx\displaystyle S=\int_{a}^{b}|f(x)|dx

<제시문4>1. 두 점 L0(−3,0)\displaystyle \mathrm{L}_{0}(-3,0), R0(3,0)\displaystyle \mathrm{R}_{0}(3,0)으로 이루어진 선분 L0R0\displaystyle \mathrm{L}_{0}\mathrm{R}_{0}을 1:2\displaystyle 1:2로 내분하는 점을 L1\displaystyle \mathrm{L}_{1}이라 하고, 선분 L0R0\displaystyle \mathrm{L}_{0}\mathrm{R}_{0}을 2:1\displaystyle 2:1로 내분하는 점을 R1\displaystyle \mathrm{R}_{1}이라 한다. 두 점 L0\displaystyle \mathrm{L}_{0}, R0\displaystyle \mathrm{R}_{0}을 지나고, 두 점 L1\displaystyle \mathrm{L}_{1}, R1\displaystyle \mathrm{R}_{1}을 초점으로 가지는 타원을 타원 E0\displaystyle E_{0}라 한다.2. 선분 L1R1\displaystyle \mathrm{L}_{1}\mathrm{R}_{1}을 1:2\displaystyle 1:2로 내분하는 점을 L2\displaystyle \mathrm{L}_{2}라 하고, 선분 L1R1\displaystyle \mathrm{L}_{1}\mathrm{R}_{1}을 2:1\displaystyle 2:1로 내분하는 점을 R2\displaystyle \mathrm{R}_{2}라 한다. 두 점 L1\displaystyle \mathrm{L}_{1}, R1\displaystyle \mathrm{R}_{1}을 지나고, 두 점 L2\displaystyle \mathrm{L}_{2}, R2\displaystyle \mathrm{R}_{2}을 초점으로 가지는 타원을 타원 E2\displaystyle E_{2}라 한다.Correction. <제시문4>의 2항에서 타원 E2\displaystyle E_2는 E1\displaystyle E_1의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.3. 선분 L2R2\displaystyle \mathrm{L}_{2}\mathrm{R}_{2}을 1:2\displaystyle 1:2로 내분하는 점을 L3\displaystyle \mathrm{L}_{3}이라 하고, 선분 L2R2\displaystyle \mathrm{L}_{2}\mathrm{R}_{2}를 2:1\displaystyle 2:1로 내분하는 점을 R3\displaystyle \mathrm{R}_{3}이라 한다. 두 점 L2\displaystyle \mathrm{L}_{2}, R2\displaystyle \mathrm{R}_{2}을 지나고, 두 점 L3\displaystyle \mathrm{L}_{3}, R3\displaystyle \mathrm{R}_{3}을 초점으로 가지는 타원을 타원 E3\displaystyle E_{3}라 한다.Correction. <제시문4>의 3항에서 타원 E3\displaystyle E_3는 E2\displaystyle E_2의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.4. 이와 같은 방법으로 한없이 타원 E0,E1,E2,E3,⋯\displaystyle E_{0},E_{1},E_{2},E_{3},\cdots을 만든다.

<제시문5>타원 En\displaystyle E_{n}의 넓이를 Sn\displaystyle S_{n}이라 한다. (n=0,1,2,3,⋯ )\displaystyle (n=0,1,2,3,\cdots)

[수학1-ⅰ]타원 E0\displaystyle E_{0}, E1\displaystyle E_{1}, E2\displaystyle E_{2}, E3\displaystyle E_{3}의 방정식을 찾고 그 이유를 논하시오.

[수학1-ⅱ]<제시문3>을 활용하여 S0\displaystyle S_{0}, S1\displaystyle S_{1}, S2\displaystyle S_{2}, S3\displaystyle S_{3}의 값을 구하고 그 이유를 논하시오.

[수학1-ⅲ]무한 급수 ∑n=0∞Sn\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}S_{n}의 값을 구하고 그 이유를 논하시오.

해설강의 준비중

[수학1-ⅰ]

+4점 · 내분점 외분점을 정확하게 계산할 수 있다. (각 1점)
+4점 · 타원의 방정식을 정확하게 도출할 수 있다. (각 1점)

<제시문1>에 의하여L1:(1×3+2×(−3)1+2,0)=(−1,0)R1:(2×3+1×(−3)2+1,0)=(1,0)\displaystyle \mathrm{L}_{1}:\left(\frac{1\times3+2\times(-3)}{1+2},0\right)=(-1,0)\quad\mathrm{R}_{1}:\left(\frac{2\times3+1\times(-3)}{2+1},0\right)=(1,0)따라서 타원 E0\displaystyle E_{0}의 방정식은x232+y232−12=1\displaystyle \frac{x^{2}}{3^{2}}+\frac{y^{2}}{3^{2}-1^{2}}=1 이다. 즉 x29+y28=1.\displaystyle \frac{x^{2}}9+\frac{y^{2}}8=1.

<제시문1>에 의하여L2:(1×1+2×(−1)1+2,0)=(−13,0)R2:(2×1+1×(−1)2+1,0)=(13,0)\displaystyle \mathrm{L}_{2}:\left(\frac{1\times1+2\times(-1)}{1+2},0\right)=\left(-\frac13,0\right)\quad\mathrm{R}_{2}:\left(\frac{2\times1+1\times(-1)}{2+1},0\right)=\left(\frac13,0\right)따라서 타원 E1\displaystyle E_{1}의 방정식은x212+y212−(13)2=1\displaystyle \frac{x^{2}}{1^{2}}+\frac{y^{2}}{1^{2}-\left(\frac13\right)^{2}}=1 이다. 즉 x21+y289=1\displaystyle \frac{x^{2}}1+\frac{y^{2}}{\frac89}=1

<제시문1>에 의하여L3:(1×(13)+2×(−13)1+2,0)=(−19,0)R3:(2×(13)+1×(−13)2+1,0)=(19,0)\displaystyle \mathrm{L}_{3}:\left(\frac{1\times\left(\frac13\right)+2\times\left(-\frac13\right)}{1+2},0\right)=\left(-\frac19,0\right)\quad\mathrm{R}_{3}:\left(\frac{2\times\left(\frac13\right)+1\times\left(-\frac13\right)}{2+1},0\right)=\left(\frac19,0\right)따라서 타원 E2\displaystyle E_{2}의 방정식은x2(13)2+y2(13)2−(19)2=1\displaystyle \frac{x^{2}}{\left(\frac13\right)^{2}}+\frac{y^{2}}{\left(\frac13\right)^{2}-\left(\frac19\right)^{2}}=1 이다. 즉 x219+y2881=1\displaystyle \frac{x^{2}}{\frac19}+\frac{y^{2}}{\frac8{81}}=1

<제시문1>에 의하여L4:(1×(19)+2×(−19)1+2,0)=(−127,0)R4:(2×(19)+1×(−19)2+1,0)=(127,0)\displaystyle \mathrm{L}_{4}:\left(\frac{1\times\left(\frac19\right)+2\times\left(-\frac19\right)}{1+2},0\right)=\left(-\frac1{27},0\right)\quad\mathrm{R}_{4}:\left(\frac{2\times\left(\frac19\right)+1\times\left(-\frac19\right)}{2+1},0\right)=\left(\frac1{27},0\right)따라서 타원 E3\displaystyle E_{3}의 방정식은x2(19)2+y2(19)−(127)2=1\displaystyle \frac{x^{2}}{\left(\frac19\right)^{2}}+\frac{y^{2}}{\left(\frac19\right)-\left(\frac1{27}\right)^{2}}=1 이다. 즉 x2181+y28729=1.\displaystyle \frac{x^{2}}{\frac1{81}}+\frac{y^{2}}{\frac8{729}}=1.Correction. 타원 E3\displaystyle E_3의 첫 방정식에서 y2\displaystyle y^2의 분모에 있는 19\displaystyle \frac19는 (19)2\displaystyle \left(\frac19\right)^2의 오기이다. 단반경의 제곱은 (19)2−(127)2=8729\displaystyle \left(\frac19\right)^2-\left(\frac1{27}\right)^2=\frac8{729}이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[수학1-ⅱ]

+6점 · an,bn\displaystyle a_{n},b_{n}을 정확하게 유도할 수 있다.

타원 En\displaystyle E_{n}의 방정식을x2(an)2+y2(bn)2=1\displaystyle \frac{x^{2}}{(a_{n})^{2}}+\frac{y^{2}}{(b_{n})^{2}}=1 (1)이라 하자. 그러면 [수학1-ⅰ]의 결과로부터an=(13)n−1\displaystyle a_{n}=\left(\frac13\right)^{n-1}bn=an2−(13an)2=223an=223(13)n−1\displaystyle b_{n}=\sqrt{a_{n}^{2}-\left(\frac13a_{n}\right)^{2}}=\frac{2\sqrt2}{3}a_{n}=\frac{2\sqrt2}{3}\left(\frac13\right)^{n-1}임을 알 수 있다. 따라서anbn=223(19)n−1\displaystyle a_{n}b_{n}=\frac{2\sqrt2}{3}\left(\frac19\right)^{n-1} (2)

+6점 · 정적분을 정확하게 유도할 수 있다.

한편 (1)로부터 타원 En\displaystyle E_{n}위의 점 (x,y)\displaystyle (x,y)가 1사분면 위에 있을 때 y=bn1−(xan)2\displaystyle y=b_{n}\sqrt{1-\left(\frac{x}{a_{n}}\right)^{2}}가 되므로, <제시문3>로 이용하면 타원 En\displaystyle E_{n}의 1사분면 내부의 넓이는 bn∫0an1−(xan)2dx\displaystyle b_{n}\int_{0}^{a_{n}}\sqrt{1-\left(\frac{x}{a_{n}}\right)^{2}}dx가 됨을 알 수 있다. 따라서Sn=4bn∫0an1−(xan)2dx\displaystyle S_{n}=4b_{n}\int_{0}^{a_{n}}\sqrt{1-\left(\frac{x}{a_{n}}\right)^{2}}dx 이다.xan=sin⁡θ\displaystyle \frac{x}{a_{n}}=\sin\theta 로 놓으면 Sn\displaystyle S_{n}은 다음과 같다.Sn=4bn∫0an1−(xan)2dx=4anbn∫0π2cos⁡2θ dθ=4anbn∫0π21+cos⁡2θ2dθ=πanbn\displaystyle \begin{aligned}S_{n}&=4b_{n}\int_{0}^{a_{n}}\sqrt{1-\left(\frac{x}{a_{n}}\right)^{2}}dx=4a_{n}b_{n}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2}\theta\,d\theta\\&=4a_{n}b_{n}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1+\cos2\theta}{2}d\theta=\pi a_{n}b_{n}\end{aligned} (3)

+6점 · Sn\displaystyle S_{n}을 정확하게 유도할 수 있다.

따라서 (2), (3)으로 부터Sn=223(19)n−1π\displaystyle S_{n}=\frac{2\sqrt2}{3}\left(\frac19\right)^{n-1}\pi를 얻는다. 따라서S0=66π,S1=223π,S2=2227π,S3=22243π\displaystyle S_{0}=6\sqrt6\pi,\quad S_{1}=\frac{2\sqrt2}{3}\pi,\quad S_{2}=\frac{2\sqrt2}{27}\pi,\quad S_{3}=\frac{2\sqrt2}{243}\piCorrection. S0=66π\displaystyle S_0=6\sqrt6\pi는 S0=62π\displaystyle S_0=6\sqrt2\pi의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[수학1-ⅲ]

+4점 · 무한급수를 정확하게 계산할 수 있다.

[수학1-ⅱ]의 결과로 부터∑n=0∞Sn=∑n=0∞223(19)n−1π=621−19π=2724π\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}S_{n}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{2\sqrt2}{3}\left(\frac19\right)^{n-1}\pi=\frac{6\sqrt2}{1-\frac19}\pi=\frac{27\sqrt2}{4}\pi

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