수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

[문제 4]

좌표평면에 원점 O\displaystyle \mathrm{O}와 점 A(3,0)\displaystyle \mathrm{A} ( 3 , 0 )이 있다. 점 B\displaystyle \mathrm{B}는 원점 O\displaystyle \mathrm{O}를 중심으로 하고 반지름의 길이가 1인 원 C1\displaystyle \mathrm{C}_{1}에 있고, 점 C\displaystyle \mathrm{C}는 점 A\displaystyle \mathrm{A}를 중심으로 하고 반지름의 길이가 2인 원 C2\displaystyle \mathrm{C}_{2}에 있다고 하자. 선분 OB\displaystyle \mathrm{OB}가 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각을 θ1\displaystyle \theta_{1}이라 하고, 선분 AC\displaystyle AC가 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각을 θ2\displaystyle \theta_{2}라고 할 때 다음 물음에 답하여라.

중심이 O, A인 두 원과 원 위의 점 B, C 및 각 θ₁, θ₂

(a) θ1=θ2(0<θ1<π)\displaystyle \theta_{1} = \theta_{2} ( 0 < \theta_{1} < \pi )일 때, 두 점 B\displaystyle \mathrm{B}와 C\displaystyle \mathrm{C}를 지나는 직선을 l\displaystyle l이라고 하자. l\displaystyle l의 기울기가 최대일 때의 직선 l\displaystyle l은 두 원 C1,C2\displaystyle \mathrm{C}_{1} , \mathrm{C}_{2}의 공통접선임을 보여라. [30점]

(b) sin⁡θ1>0,cos⁡θ1>16,θ2=2θ1\displaystyle \sin \theta_{1} > 0 , \cos \theta_{1} > \frac{{1}}{6} , \theta_{2} = 2 \theta_{1}일 때, 사각형 OACB\displaystyle \mathrm{OACB}가 볼록사각형임을 보여라. [30점]

(c) sin⁡θ1>0,cos⁡θ1>16,θ2=2θ1\displaystyle \sin \theta_{1} > 0 , \cos \theta_{1} > \frac{{1}}{6} , \theta_{2} = 2 \theta_{1}일 때, 사각형 OACB\displaystyle \mathrm{OACB}의 넓이가 최대가 되는 θ1\displaystyle \theta_{1}에 대하여 cos⁡θ1\displaystyle \cos \theta_{1}의 값을 구하여라. [40점]

해설강의 준비중

(a) (총 30점)

+10점

점 B\displaystyle \mathrm{B}와 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표를 구하면 B(cos⁡θ1,sin⁡θ1),C(3+2cos⁡θ1,2sin⁡θ1)\displaystyle \mathrm{B} ( \cos \theta_{1} , \sin \theta_{1} ) , \mathrm{C} ( 3 + 2 \cos \theta_{1} , 2 \sin \theta_{1} )이므로 직선 l\displaystyle l의 기울기를 m\displaystyle m이라고 하면m=2sin⁡θ1−sin⁡θ13+2cos⁡θ1−cos⁡θ1=sin⁡θ13+cos⁡θ1\displaystyle m = \frac{{2 \sin \theta_{1} - \sin \theta_{1}}}{3 + 2 \cos \theta_{1} - \cos \theta_{1}} = \frac{{\sin \theta_{1}}}{3 + \cos \theta_{1}}이다.

+10점

m\displaystyle m을 θ1\displaystyle \theta_{1}에 대하여 미분하면dmdθ1=3cos⁡θ1+1(3+cos⁡θ1)2\displaystyle \frac{{d m}}{d \theta_{1}} = \frac{{3 \cos \theta_{1} + 1}}{( 3 + \cos \theta_{1} )^{2}}이고,방정식 dmdθ1=0\displaystyle \frac{{d m}}{d \theta_{1}} = 0으로부터 cos⁡θ1=−13\displaystyle \cos \theta_{1} = - \frac{{1}}{3}을 얻는다.cos⁡θ1=−13\displaystyle \cos \theta_{1} = - \frac{{1}}{3}인 θ1(0<θ1<π)\displaystyle \theta_{1} ( 0 < \theta_{1} < \pi ) 근방에서 dmdθ1\displaystyle \frac{{d m}}{d \theta_{1}}의 부호가 양(+)에서 음(-) 으로 바뀌므로 이 값에서 m\displaystyle m은 극댓값을 갖고, 주어진 범위에서 극댓값은 1개만 존재하므로 m\displaystyle m의 극댓값이 최댓값이 된다.이때 sin⁡θ1=223\displaystyle \sin \theta_{1} = \frac{{2 \sqrt{2}}}{3}이므로 기울기 m\displaystyle m의 최댓값은 2233−13=24\displaystyle \frac{{\frac{{2 \sqrt{2}}}{3}}}{3 - \frac{{1}}{3}} = \frac{{\sqrt{2}}}{4}이다.

+10점

이제 직선 l\displaystyle l의 기울기가 24\displaystyle \frac{{\sqrt{2}}}{4}이고 점 B(−13,223)\displaystyle \mathrm{B} \left( - \frac{{1}}{3} , \frac{{2 \sqrt{2}}}{3} \right)를 지나므로 직선 l\displaystyle l의 방정식은 다음과 같다.l:4y−2x−32=0\displaystyle l : 4 y - \sqrt{2} x - 3 \sqrt{2} = 0.점 O\displaystyle \mathrm{O}와 직선 l\displaystyle l 사이의 거리 d1=∣4⋅0−2⋅0−32∣42+(2)2=1\displaystyle d_{1} = \frac{{\left| 4 \cdot 0 - \sqrt{2} \cdot 0 - 3 \sqrt{2} \right|}}{\sqrt{4^{2} + ( \sqrt{2} )^{2}}} = 1는 원 C1\displaystyle \mathrm{C}_{1}의 반지름의 길이와 같으므로 직선 l\displaystyle l은 원 C1\displaystyle \mathrm{C}_{1}과 접한다.또한, 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 직선 l\displaystyle l사이의 거리 d2=∣4⋅0−2⋅3−32∣42+(2)2=2\displaystyle d_{2} = \frac{{\left| 4 \cdot 0 - \sqrt{2} \cdot 3 - 3 \sqrt{2} \right|}}{\sqrt{4^{2} + ( \sqrt{2} )^{2}}} = 2는 원 C2\displaystyle \mathrm{C}_{2}의 반지름의 길이와 같으므로 직선 l\displaystyle l은 원 C2\displaystyle \mathrm{C}_{2}와 접한다.이를 종합하면 l\displaystyle l은 두 원 C1,C2\displaystyle \mathrm{C}_{1} , \mathrm{C}_{2}의 공통 접선이다.

(b) (총 30점)

+5점

점 B\displaystyle \mathrm{B}와 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표는 B(cos⁡θ1,sin⁡θ1),C(3+2cos⁡2θ1,2sin⁡2θ1)\displaystyle \mathrm{B} ( \cos \theta_{1} , \sin \theta_{1} ) , \mathrm{C} ( 3 + 2 \cos 2 \theta_{1} , 2 \sin 2 \theta_{1} )이다.

+10점

사각형 OACB\displaystyle \mathrm{OACB}가 볼록사각형임을 보이기 위해서는 아래 그림과 같이 선분 OB\displaystyle \mathrm{OB}의 연장선 l1\displaystyle l_{1}, 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 연장선 l2\displaystyle l_{2} , 선분 OA\displaystyle \mathrm{OA}의 연장선 l3\displaystyle l_{3}로 둘러싸인 영역에 점 C\displaystyle \mathrm{C}가 존재함을 보이면 된다.

직선 l₁, l₂, l₃가 둘러싼 영역의 점 C와 사각형 OACB

우선, 점 C\displaystyle \mathrm{C}가 직선 l1\displaystyle l_{1}의 아래쪽에 있음을 보이자. 직선 l1\displaystyle l_{1}의 방정식은 y−tan⁡θ1x=0\displaystyle y - \tan \theta_{1} x = 0이고 점 C(3+2cos⁡2θ1,2sin⁡2θ1)\displaystyle \mathrm{C} ( 3 + 2 \cos 2 \theta_{1} , 2 \sin 2 \theta_{1} )의 좌표를 직선 l1\displaystyle l_{1}의 좌변에 대입하면 sin⁡θ1>0,cos⁡θ1>16\displaystyle \sin \theta_{1} > 0 , \cos \theta_{1} > \frac{{1}}{6}일 때, tan⁡θ1>0\displaystyle \tan \theta_{1} > 0이므로 다음이 성립한다.2sin⁡2θ1−tan⁡θ1(3+2cos⁡2θ1)=4sin⁡θ1cos⁡θ1−tan⁡θ1(3+2(2cos⁡2θ1−1))=4sin⁡θ1cos⁡θ1−tan⁡θ1(1+4cos⁡2θ1)=4sin⁡θ1cos⁡θ1−tan⁡θ1−4sin⁡θ1cos⁡θ1=−tan⁡θ1<0\displaystyle \begin{aligned}2\sin2\theta_1-\tan\theta_1(3+2\cos2\theta_1)&=4\sin\theta_1\cos\theta_1-\tan\theta_1(3+2(2\cos^2\theta_1-1))\\&=4\sin\theta_1\cos\theta_1-\tan\theta_1(1+4\cos^2\theta_1)\\&=4\sin\theta_1\cos\theta_1-\tan\theta_1-4\sin\theta_1\cos\theta_1\\&=-\tan\theta_1<0\end{aligned}따라서 점 C\displaystyle \mathrm{C}는 직선 l1\displaystyle l_{1}의 아래쪽에 있다.

+5점

또한, 직선 l3\displaystyle l_{3}는 x\displaystyle x축 (즉, y=0\displaystyle y = 0) 이고 C\displaystyle \mathrm{C}의 y\displaystyle y좌표 2sin⁡2θ1\displaystyle 2 \sin 2 \theta_{1}은 양수이므로 점 C\displaystyle \mathrm{C}는 직선 l3\displaystyle l_{3}위쪽에 있다.

+10점

이제 점 C\displaystyle \mathrm{C}가 직선 l2\displaystyle l_{2} 위쪽 부분에 있음을 보이자. 두 점 A,B\displaystyle \mathrm{A} , \mathrm{B}를 지나는 직선 l2\displaystyle l_{2}의 방정식을 구하면 (3−cos⁡θ1)y+sin⁡θ1(x−3)=0\displaystyle ( 3 - \cos \theta_{1} ) y + \sin \theta_{1} ( x - 3 ) = 0이다.점 C\displaystyle \mathrm{C}를 직선 l2\displaystyle l_{2}의 방정식 좌변에 대입하면 sin⁡θ1>0,cos⁡θ1>16\displaystyle \sin \theta_{1} > 0 , \cos \theta_{1} > \frac{{1}}{6}이므로 다음이 성립한다.(3−cos⁡θ1)×2sin⁡2θ1+sin⁡θ1(3+2cos⁡2θ1−3)=(3−cos⁡θ1)×4sin⁡θ1cos⁡θ1+sin⁡θ1{2(2cos⁡2θ1−1)}=sin⁡θ1{(3−cos⁡θ1)×4cos⁡θ1+(4cos⁡2θ1−2)}=2sin⁡θ1(6cos⁡θ1−1)>0\displaystyle \begin{aligned}( 3 - \cos \theta_{1} ) \times 2 \sin 2 \theta_{1} + \sin \theta_{1} ( 3 + 2 \cos 2 \theta_{1} - 3 ) &= ( 3 - \cos \theta_{1} ) \times 4 \sin \theta_{1} \cos \theta_{1} + \sin \theta_{1} \left\{ 2 ( 2 \cos^{2} \theta_{1} - 1 ) \right\} \\ &= \sin \theta_{1} \left\{ ( 3 - \cos \theta_{1} ) \times 4 \cos \theta_{1} + ( 4 \cos^{2} \theta_{1} - 2 ) \right\} \\ &= 2 \sin \theta_{1} ( 6 \cos \theta_{1} - 1 ) > 0\end{aligned}따라서 점 C\displaystyle \mathrm{C}가 직선 l2\displaystyle l_{2} 위쪽 부분에 있다.

(c) (총 40점)

+10점

사각형 OACB\displaystyle \mathrm{OACB}가 볼록사각형이므로 사각형 OACB\displaystyle \mathrm{OACB}의 넓이는 삼각형 OAB\displaystyle \mathrm{OAB}의 넓이와 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이의 합과 같다.

일반적으로 원점 O(0,0)\displaystyle \mathrm{O} ( 0 , 0 )과 두 점 P(x1,y1),Q(x2,y2)\displaystyle \mathrm{P} ( x_{1} , y_{1} ) , \mathrm{Q} ( x_{2} , y_{2} )에 대하여 삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}의 넓이 S\displaystyle S는 다음과 같다.S=12∣y1x2−y2x1∣.\displaystyle S = \frac{{1}}{2} \left| y_{1} x_{2} - y_{2} x_{1} \right| .(증명 : 두 선분 OP\displaystyle \mathrm{OP}와 OQ\displaystyle \mathrm{OQ}의 사잇각을 θ(0<θ<π)\displaystyle \theta ( 0 < \theta < \pi )라 하자.그러면 , S=12∣OP∣∣OQ∣sin⁡θ\displaystyle S = \frac{{1}}{2} \left| \mathrm{OP} \right| \left| \mathrm{OQ} \right| \sin \theta 이다.내적의 성질에 의하여 cos⁡θ=OP→⋅OQ→∣OP∣∣OQ∣=x1x2+y1y2x12+y12x22+y22\displaystyle \cos \theta = \frac{{{\overrightarrow{OP}} \cdot {\overrightarrow{OQ}}}}{\left| \mathrm{OP} \right| \left| \mathrm{OQ} \right|} = \frac{{x_{1} x_{2} + y_{1} y_{2}}}{\sqrt{x_{1}^{2} + y_{1}^{2}} \sqrt{x_{2}^{2} + y_{2}^{2}}}이다.이 때, sin⁡θ=1−cos⁡2θ=1−(x1x2+y1y2)2(x12+y12)(x22+y22)=∣y1x2−y2x1∣(x12+y12)(x22+y22)\displaystyle \sin \theta = \sqrt{1 - \cos^{2} \theta} = \sqrt{1 - \frac{{( x_{1} x_{2} + y_{1} y_{2} )^{2}}}{( x_{1}^{2} + y_{1}^{2} ) ( x_{2}^{2} + y_{2}^{2} )}} = \frac{{\left| y_{1} x_{2} - y_{2} x_{1} \right|}}{\sqrt{( x_{1}^{2} + y_{1}^{2} )} \sqrt{( x_{2}^{2} + y_{2}^{2} )}}∴S=12∣OP∣∣OQ∣sin⁡θ=12x12+y12x22+y22×∣y1x2−y2x1∣x12+y12x22+y22=12∣y1x2−y2x1∣)\displaystyle \therefore S = \frac{{1}}{2} \left| \mathrm{OP} \right| \left| \mathrm{OQ} \right| \sin \theta = \frac{{1}}{2} \sqrt{x_{1}^{2} + y_{1}^{2}} \sqrt{x_{2}^{2} + y_{2}^{2}} \times \frac{{\left| y_{1} x_{2} - y_{2} x_{1} \right|}}{\sqrt{x_{1}^{2} + y_{1}^{2}} \sqrt{x_{2}^{2} + y_{2}^{2}}} = \frac{{1}}{2} \left| y_{1} x_{2} - y_{2} x_{1} \right| )그러므로 △OAB=∣3sin⁡θ1−0×cos⁡θ1∣2=3sin⁡θ12\displaystyle \triangle \mathrm{OAB} = \frac{{\left| 3 \sin \theta_{1} - 0 \times \cos \theta_{1} \right|}}{2} = \frac{{3 \sin \theta_{1}}}{2}이다.

+15점

삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이는 세 점 A,B,C\displaystyle \mathrm{A} , \mathrm{B} , \mathrm{C}를 (−3,0)\displaystyle ( - 3 , 0 )만큼 평행이동하여 얻어진 세 점 (0,0),(cos⁡θ1−3,sin⁡θ1),(2cos⁡2θ1,2sin⁡2θ1)\displaystyle ( 0 , 0 ) , ( \cos \theta_{1} - 3 , \sin \theta_{1} ) , ( 2 \cos 2 \theta_{1} , 2 \sin 2 \theta_{1} )로 이루어진 삼각형의 넓이와 같다. 따라서△ABC=12∣2cos⁡2θ1sin⁡θ1−2sin⁡2θ1(cos⁡θ1−3)∣=12∣2(2cos⁡2θ1−1)sin⁡θ1−4sin⁡θ1cos⁡θ1(cos⁡θ1−3)∣=∣6sin⁡θ1cos⁡θ1−sin⁡θ1∣=∣sin⁡θ1(6cos⁡θ1−1)∣=sin⁡θ1(6cos⁡θ1−1)(∵sin⁡θ1>0,cos⁡θ1>16)=3sin⁡2θ1−sin⁡θ1\displaystyle \begin{aligned}\triangle \mathrm{ABC} &= \frac{{1}}{2} \left| 2 \cos 2 \theta_{1} \sin \theta_{1} - 2 \sin 2 \theta_{1} ( \cos \theta_{1} - 3 ) \right| \\ &= \frac{{1}}{2} \left| 2 ( 2 \cos^{2} \theta_{1} - 1 ) \sin \theta_{1} - 4 \sin \theta_{1} \cos \theta_{1} ( \cos \theta_{1} - 3 ) \right| \\ &= \left| 6 \sin \theta_{1} \cos \theta_{1} - \sin \theta_{1} \right| \\ &= \left| \sin \theta_{1} ( 6 \cos \theta_{1} - 1 ) \right| \\ &= \sin \theta_{1} ( 6 \cos \theta_{1} - 1 ) ( \because \sin \theta_{1} > 0 , \cos \theta_{1} > \frac{{1}}{6} ) \\ &= 3 \sin 2 \theta_{1} - \sin \theta_{1}\end{aligned}이므로 사각형 OACB\displaystyle \mathrm{OACB}의 넓이를 S(θ1)\displaystyle S ( \theta_{1} )이라고 하면S(θ1)=3sin⁡θ12+3sin⁡2θ1−sin⁡θ1=sin⁡θ12+3sin⁡2θ1\displaystyle S ( \theta_{1} ) = \frac{{3 \sin \theta_{1}}}{2} + 3 \sin 2 \theta_{1} - \sin \theta_{1} = \frac{{\sin \theta_{1}}}{2} + 3 \sin 2 \theta_{1}이다.

+15점

이제 S′(θ1)=12cos⁡θ1+6cos⁡2θ1=12cos⁡θ1+6(2cos⁡2θ1−1)=12cos⁡2θ1+12cos⁡θ1−6\displaystyle S^{\prime} ( \theta_{1} ) = \frac{{1}}{2} \cos \theta_{1} + 6 \cos 2 \theta_{1} = \frac{{1}}{2} \cos \theta_{1} + 6 ( 2 \cos^{2} \theta_{1} - 1 ) = 12 \cos^{2} \theta_{1} + \frac{{1}}{2} \cos \theta_{1} - 6이므로 S′(θ1)=0\displaystyle S^{\prime} ( \theta_{1} ) = 0 으로부터 cos⁡θ1=−1+115348(∵cos⁡θ1>16)\displaystyle \cos \theta_{1} = \frac{{- 1 + \sqrt{1153}}}{48} ( \because \cos \theta_{1} > \frac{{1}}{6} )을 얻는다. 또한cos⁡θ1=−1+115348\displaystyle \cos \theta_{1} = \frac{{- 1 + \sqrt{1153}}}{48}을 만족하는 θ1\displaystyle \theta_{1}의 근방에서 S′(θ1)\displaystyle S^{\prime} ( \theta_{1} )의 부호가 양(+)에서 음(-)으로 바뀌므로 그 θ1\displaystyle \theta_{1}값에서 극댓값을 갖고, 주어진 범위 (sin⁡θ1>0,cos⁡θ1>16,0≤θ1≤2π)\displaystyle ( \sin \theta_{1} > 0 , \cos \theta_{1} > \frac{{1}}{6} , 0 \leq \theta_{1} \leq 2 \pi )에서 극댓값이 1개 존재하므로 그 값이 최댓값이 된다.그러므로 cos⁡θ1=−1+115348\displaystyle \cos \theta_{1} = \frac{{- 1 + \sqrt{1153}}}{48}일 때, S(θ1)\displaystyle S ( \theta_{1} )은 최댓값을 갖는다.

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