수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

제시문들을 참고하여 다음 문제들의 답을 구하여라.

문제 1. 중심의 좌표가 (0,c)\displaystyle (0,c)이고 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원이 (단, c>r>0\displaystyle c>r>0) 포물선 y=x2\displaystyle y=x^2과 두 점에서만 만난다고 가정하자. 가능한 실수 r\displaystyle r의 범위를 구하고, c\displaystyle c를 r\displaystyle r로 나타내어라.

문제 2. 위 문제 1의 가정을 만족하는 원들 C1,C2,⋯\displaystyle C_1,C_2,\cdots을 다음과 같이 고려할 때, 영역 {(x,y)∣y≤100}\displaystyle \{(x,y)\mid y\le100\}에 포함될 수 있는 원들의 최대수를 구하여라.

한 원을 C1\displaystyle C_1이라 하고, C1\displaystyle C_1과 한 점에서만 만나는 원을 C2\displaystyle C_2, 이를 계속하여 자연수 n\displaystyle n에 대해 Cn\displaystyle C_n과 한 점에서만 만나는 원을 Cn+1\displaystyle C_{n+1}이라 한다. 단, Cn\displaystyle C_n의 중심의 좌표를 (0,cn)\displaystyle (0,c_n)라 하면 cn<cn+1\displaystyle c_n<c_{n+1}이 성립한다.

문제 3. 위 문제 1의 가정을 만족하는 원이 점 (t,t2)\displaystyle (t,t^2)에서 포물선 y=x2\displaystyle y=x^2과 만날 때, 그 원의 반지름을 r(t)\displaystyle r(t)라 하자. 부등식 43≤2∫01r(t) dt≤2\displaystyle \frac43\le2\int_0^1r(t)\,dt\le2가 성립함을 보여라.

문제 4. 포물선 y=x2\displaystyle y=x^2의 서로 다른 두 접선의 교점이 이루는 점들의 집합은 {(x,y)∣y<x2}\displaystyle \{(x,y)\mid y<x^2\}임을 보여라.

[가] 두 실수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 부등식 (a+b)2≥4ab\displaystyle (a+b)^2\ge4ab가 성립한다. 여기서 등호는 a=b\displaystyle a=b일 때만 성립한다.

[나] 집합 A\displaystyle A의 모든 원소가 집합 B\displaystyle B에 속한다면 A⊂B\displaystyle A\subset B로 나타낸다. 만일 A⊂B\displaystyle A\subset B이고 또한 B⊂A\displaystyle B\subset A이면 집합 A\displaystyle A와 집합 B\displaystyle B는 서로 같다고 하고, 이것을 기호 A=B\displaystyle A=B로 나타낸다.

[다] 미분가능한 두 함수의 합성함수는 미분가능하다. 미분가능한 함수는 연속이다.

[라] 일반적으로 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 극한값 lim⁡n→∞∑k=1nf(a+kb−an)b−an\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n f\left(a+k\frac{b-a}n\right)\frac{b-a}n이 반드시 존재하며 이 극한값을 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 a\displaystyle a에서 b\displaystyle b까지의 정적분이라 하고 ∫abf(x) dx\displaystyle \int_a^b f(x)\,dx로 나타낸다. 이 정의로부터, 함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 f(x)≤g(x)\displaystyle f(x)\le g(x)이면, ∫abf(x) dx≤∫abg(x) dx\displaystyle \int_a^b f(x)\,dx\le\int_a^b g(x)\,dx가 성립함을 알 수 있다.

[마] 평면에서 원과 포물선 y=x2\displaystyle y=x^2이 만난다면, 최대 4개의 교점을 가질 수 있다. 어떤 위치관계에서는 단 두 점에서 만나는 경우도 있다.

해설강의 준비중

논술 이차곡선과 원의 위치 관계

관련 개념강의 준비중
+1점 · 원과 포물선이라는 두 도형이 만나는 경우를 어떻게 이해하고 분석할 지를 평가한다. 이차방정식의 판별식을 논리에 맞추어 활용하는지를 평가한다.

문제 1. 원은 x2+(y−c)2=r2\displaystyle x^2+(y-c)^2=r^2이므로 원과 포물선의 교점의 x\displaystyle x좌표는 x2+(x2−c)2=r2\displaystyle x^2+(x^2-c)^2=r^2을 만족한다.이 식은 X=x2\displaystyle X=x^2에 대한 이차방정식으로 볼 수 있다. 이 이차 방정식 X+(X−c)2=r2\displaystyle X+(X-c)^2=r^2 즉, X2+(1−2c)X+c2−r2=0\displaystyle X^2+(1-2c)X+c^2-r^2=0의 근은 X=12{2c−1±(1−2c)2−4(c2−r2)}\displaystyle X=\frac12\{2c-1\pm\sqrt{(1-2c)^2-4(c^2-r^2)}\}. 방정식의 판별식이 음이면 아무 실수 해가 없다. 즉, 교점이 없다.c>r>0\displaystyle c>r>0이므로 (2c−1)2>(1−2c)2−4(c2−r2)\displaystyle (2c-1)^2>(1-2c)^2-4(c^2-r^2), 따라서 판별식이 양이고 2c−1>0\displaystyle 2c-1>0이면 X\displaystyle X는 두 개의 양의 실근을 가지고 x\displaystyle x는 4개의 실수 값을 가지며, 교점은 4개가 된다. 판별식이 양이고 2c−1<0\displaystyle 2c-1<0이면 X\displaystyle X는 음의 실근만을 가지고 교점은 없다. 판별식이 0\displaystyle 0일 때, X=12(2c−1)\displaystyle X=\frac12(2c-1). 2c−1≤0\displaystyle 2c-1\le0이면 교점은 두 개가 될 수 없다. 판별식이 0\displaystyle 0일 때 2c−1>0\displaystyle 2c-1>0이면 X\displaystyle X가 한 개의 양수이며 교점은 두 개다. 즉, 두 점에서만 만나는 경우는 판별식이 0\displaystyle 0이고 2c−1>0\displaystyle 2c-1>0일 때이다. (1−2c)2−4(c2−r2)=0\displaystyle (1-2c)^2-4(c^2-r^2)=0. 이로부터 c=r2+14\displaystyle c=r^2+\frac14. c>12\displaystyle c>\frac12이므로 r\displaystyle r의 범위는 r>12\displaystyle r>\frac12이다.

+2점 · 여러 개의 원이 만나는 기하적인 내용을 수식으로 어떻게 전환하고 분석해내는가를 평가한다. 또한 급수를 다루는 것도 평가한다.

문제 2. Cn\displaystyle C_n의 반지름을 rn\displaystyle r_n이라 하고, 원점에서 Cn\displaystyle C_n의 중심까지의 거리를 dn\displaystyle d_n이라 하면, dn=rn2+14\displaystyle d_n=r_n^2+\frac14.Cn\displaystyle C_n과 Cn+1\displaystyle C_{n+1}이 내접하는 관계를 보면, dn+rn+rn+1=dn+1\displaystyle d_n+r_n+r_{n+1}=d_{n+1}. 따라서 rn2+14+rn+rn+1=rn+12+14\displaystyle r_n^2+\frac14+r_n+r_{n+1}=r_{n+1}^2+\frac14, 즉 rn+rn+1=(rn+1−rn)(rn+1+rn)\displaystyle r_n+r_{n+1}=(r_{n+1}-r_n)(r_{n+1}+r_n).Correction. 두 원의 관계를 나타낸 “내접”은 “외접”의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.1=rn+1−rn\displaystyle 1=r_{n+1}-r_n를 얻는다. 따라서, n−1=rn−r1\displaystyle n-1=r_n-r_1이고r2+r3+⋯+rn=(n−1)r1+n(n−1)2\displaystyle r_2+r_3+\cdots+r_n=(n-1)r_1+\frac{n(n-1)}2.2r1+2r2+⋯+2rn≤100\displaystyle 2r_1+2r_2+\cdots+2r_n\le100되어야 하므로, r1+r2+⋯+rn=nr1+n(n−1)2≤50\displaystyle r_1+r_2+\cdots+r_n=nr_1+\frac{n(n-1)}2\le50.r1\displaystyle r_1은 12\displaystyle \frac12로 가까이 갈 수 있으므로 n2+n(n−1)2<50\displaystyle \frac n2+\frac{n(n-1)}2<50. 따라서 n<10\displaystyle n<10. 최대수는 9개이다.

+3점 · 접선의 식과, 그 접선에 수직인 직선의 식을 구하여 원의 반지름을 구하는 지를 평가하고, 또 그 반지름에 대한 절대부등식을 도출하여 적분에 응용하는 능력을 평가한다.

문제 3. 점 (t,t2)\displaystyle (t,t^2)에서 y=x2\displaystyle y=x^2곡선에 대한 접선의 기울기는 2t\displaystyle 2t이므로, 점 (t,t2)\displaystyle (t,t^2)를 지나고 접선에 수직인 직선의 식은 y−t2=−12t(x−t)\displaystyle y-t^2=-\frac1{2t}(x-t). 이 직선이 y\displaystyle y축과 만나는 점은 (0,12+t2)\displaystyle \left(0,\frac12+t^2\right)이다. 이 점과 (t,t2)\displaystyle (t,t^2)사이의 거리는 r(t)=14+t2\displaystyle r(t)=\sqrt{\frac14+t^2}이다. 제시문 [가]로부터 (a=1,b=4t2)\displaystyle (a=1,b=4t^2) t>0\displaystyle t>0일때2t≤1+4t2\displaystyle 2\sqrt t\le\sqrt{1+4t^2}가 성립한다. 또한 1+4t2≤(1+2t)2\displaystyle 1+4t^2\le(1+2t)^2이므로,43=∫012t dt≤∫011+4t2 dt≤∫01(1+2t) dt=2\displaystyle \frac43=\int_0^12\sqrt t\,dt\le\int_0^1\sqrt{1+4t^2}\,dt\le\int_0^1(1+2t)\,dt=2.

+4점 · 접선의 식과 절대부등식을 원활히 사용할 수 있는지와, 또 이차방정식의 근과 계수의 관계를 이용하여 집합 사이의 포함관계를 이해하고 추론하는지를 평가한다.

문제 4. (a,a2)\displaystyle (a,a^2)에서의 접선은 y=2ax−a2\displaystyle y=2ax-a^2. (b,b2)\displaystyle (b,b^2)에서의 접선 y=2bx−b2\displaystyle y=2bx-b^2과의 교점은 x=a+b2\displaystyle x=\frac{a+b}2, y=ab\displaystyle y=ab이므로 제시문 [가]로부터 x2≥y\displaystyle x^2\ge y를 만족한다. a≠b\displaystyle a\ne b이므로 x2>y\displaystyle x^2>y를 얻는다.역으로, x2>y\displaystyle x^2>y를 만족하는 임의의 (x,y)\displaystyle (x,y)에 대해, 2차 방정식 X2−2xX+y=0\displaystyle X^2-2xX+y=0은 (x2>y\displaystyle x^2>y조건으로부터) 두 실수해 a,b\displaystyle a,b를 가짐을 알 수 있다. 즉, x=a+b2\displaystyle x=\frac{a+b}2, y=ab\displaystyle y=ab를 만족하는 a,b\displaystyle a,b가 존재한다. 따라서 x2>y\displaystyle x^2>y를 만족하는 임의의 (x,y)\displaystyle (x,y)는 이렇게 얻은 (a,a2)\displaystyle (a,a^2)에서의 접선과 (b,b2)\displaystyle (b,b^2)에서의 접선의 교점이다.따라서, 서로 다른 두 접선의 교점이 이루는 점들의 집합은 {(x,y)∣y<x2}\displaystyle \{(x,y)\mid y<x^2\}과 같다.

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