수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[논제 1]

중심 P\displaystyle \mathrm{P}가 (0,r)\displaystyle ( 0 , r )이고 반지름 r\displaystyle r인 원과 y=4−x2\displaystyle y = 4 - x^{2}인 곡선이 아래의 그림과 같이 두 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 B\displaystyle \mathrm{B}에서 접하고 있다. 이때 다음 물음에 답하시오.

포물선과 원의 두 접점 A, B와 두 곡선 사이의 빗금친 영역

(a) 반지름 r\displaystyle r과 두 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 B\displaystyle \mathrm{B}를 구하시오. (10점)

(b) 두 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 B\displaystyle \mathrm{B}에서의 접선의 방정식을 각각 구하시오. (4점)

(c) 각 ∠APB\displaystyle \angle \mathrm{APB}의 값을 α\displaystyle \alpha라디안이라 할 때, tan⁡α\displaystyle \tan \alpha의 값을 구하시오. (6점)

(d) 각 ∠APB\displaystyle \angle \mathrm{APB}의 값을 α\displaystyle \alpha라디안이라 할 때, 빗금친 면적을 구하시오. (10점)

해설강의 준비중

(a) (총 10점)

+5점

원의 방정식은 x2+(y−r)2=r2\displaystyle x^{2} + ( y - r )^{2} = r^{2}이고 y=4−x2\displaystyle y = 4 - x^{2} 과 접하고 있으므로 다음의 식이 성립한다.

{x2+(y−r)2−r2=0x2+y−4=0⇔{x2=2ry−y2x2=4−y⇔2ry−y2=4−y⇔y2−(2r+1)y+4=0\displaystyle \begin{cases}x^2+(y-r)^2-r^2=0\\x^2+y-4=0\end{cases}\Leftrightarrow\begin{cases}x^2=2ry-y^2\\x^2=4-y\end{cases}\Leftrightarrow 2ry-y^2=4-y\Leftrightarrow y^2-(2r+1)y+4=0

여기서, y2−(2r+1)y+4=0\displaystyle y^{2} - ( 2 r + 1 ) y + 4 = 0.

따라서 접하므로 이식은 완전제곱식이 된다. 따라서 r=32\displaystyle r = \frac{{3}}{2}이고, y=2\displaystyle y = 2이다.

+5점

이 값을 가지고 x\displaystyle x를 구하면 x=±2\displaystyle x = ± \sqrt{2}가 된다.

따라서 A=(−2,2),B=(2,2)\displaystyle \mathrm{A} = ( - \sqrt{2} , 2 ) , \mathrm{B} = ( \sqrt{2} , 2 )가 된다.

(b) (총 4점)

+2점

두 점은 A=(−2,2),B=(2,2)\displaystyle \mathrm{A} = ( - \sqrt{2} , 2 ) , \mathrm{B} = ( \sqrt{2} , 2 ) 이고 y′=−2x\displaystyle y^{\prime} = - 2 x이다.

따라서 A\displaystyle \mathrm{A}에서의 접선의 기울기는 −22\displaystyle - 2 \sqrt{2}이므로 접선은 다음과 같다.

y−2=−22(x+2)⇔y=−22x+6\displaystyle y - 2 = - 2 \sqrt{2} ( x + \sqrt{2} ) \Leftrightarrow y = - 2 \sqrt{2} x + 6Correction. 접선의 기울기는 A\displaystyle A에서 22\displaystyle 2\sqrt2, B\displaystyle B에서 −22\displaystyle -2\sqrt2이다. 따라서 접선의 방정식은 각각 y=22x+6\displaystyle y=2\sqrt2x+6, y=−22x+6\displaystyle y=-2\sqrt2x+6으로 써야 한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+2점

또한 B\displaystyle \mathrm{B}에서의 접선의 기울기는 22\displaystyle 2 \sqrt{2}이므로 접선은 다음과 같다.

y−2=22(x−2)⇔y=22x+6\displaystyle y - 2 = 2 \sqrt{2} ( x - \sqrt{2} ) \Leftrightarrow y = 2 \sqrt{2} x + 6

(c) (총 6점)

+3점

∠APB\displaystyle \angle \mathrm{APB}의 값을 α\displaystyle \alpha이라 하면, cos⁡(α2)=13\displaystyle \cos \left( \frac{{\alpha}}{2} \right) = \frac{{1}}{3} 이고 tan⁡(α2)=22\displaystyle \tan \left( \frac{{\alpha}}{2} \right) = 2 \sqrt{2}를 만족한다.

+3점

따라서 tan⁡α=2tan⁡(α2)1−tan⁡2(α2)=2⋅221−(22)2=−427\displaystyle \tan \alpha = \frac{{2 \tan \left( \frac{{\alpha}}{2} \right)}}{1 - \tan^{2} \left( \frac{{\alpha}}{2} \right)} = \frac{{2 \cdot 2 \sqrt{2}}}{1 - ( 2 \sqrt{2} )^{2}} = - \frac{{4 \sqrt{2}}}{7}

(d) (총 10점)

+4점

S=∫−22[(4−x2)−(32+94−x2)]dx\displaystyle \begin{aligned}S&=\int_{-\sqrt2}^{\sqrt2}\left[(4-x^2)-\left(\frac32+\sqrt{\frac94-x^2}\right)\right]dx\end{aligned}

+2점

=2∫02(52−x2)dx−2∫0294−x2 dx=1132−2∫0α/2(32cos⁡θ)(32cos⁡θ)dθ\displaystyle \begin{aligned}&=2\int_0^{\sqrt2}\left(\frac52-x^2\right)dx-2\int_0^{\sqrt2}\sqrt{\frac94-x^2}\,dx\\&=\frac{11}3\sqrt2-2\int_0^{\alpha/2}\left(\frac32\cos\theta\right)\left(\frac32\cos\theta\right)d\theta\end{aligned}

+2점

=1132−92∫0α/2cos⁡2θ dθ=1132−92∫0α/21+cos⁡2θ2 dθ=1132−94[θ+12sin⁡2θ]0α/2=1132−98α−98sin⁡α\displaystyle \begin{aligned}&=\frac{11}3\sqrt2-\frac92\int_0^{\alpha/2}\cos^2\theta\,d\theta=\frac{11}3\sqrt2-\frac92\int_0^{\alpha/2}\frac{1+\cos2\theta}2\,d\theta\\&=\frac{11}3\sqrt2-\frac94\Biggl[\theta+\frac12\sin2\theta\Biggr]_0^{\alpha/2}=\frac{11}3\sqrt2-\frac98\alpha-\frac98\sin\alpha\end{aligned}

+2점

=1132−98α−94sin⁡α2cos⁡α2=1132−98α−9422313=1962−98α\displaystyle \begin{aligned}&=\frac{11}3\sqrt2-\frac98\alpha-\frac94\sin\frac\alpha2\cos\frac\alpha2=\frac{11}3\sqrt2-\frac98\alpha-\frac94\frac{2\sqrt2}3\frac13\\&=\frac{19}6\sqrt2-\frac98\alpha\end{aligned}

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