수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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심화 타원의 넓이

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<1-1> <그림 1>과 같이 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1과 타원 x2+k2y2=1\displaystyle x^{2}+k^{2}y^{2}=1에 대해 원 위의 점 P\displaystyle P가 시각 t\displaystyle t에 대해 반시계 방향으로 원 위를 움직이므로 원점 O\displaystyle O에 대하여 선분 OP\displaystyle OPx\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각을 θ\displaystyle \theta라 하자. 원 위의 점 P\displaystyle P에서 x\displaystyle x축에 내린 수선이 타원과 1사분면에서 만나는 점을 Q\displaystyle Q, 그 수선의 발을 H\displaystyle H, 선분 OQ\displaystyle OQx\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각을 α\displaystyle \alpha라 하자.

<그림 1>. 단위원의 반원과 그 안의 타원. 원 위의 점 P에서 x축에 내린 수선의 발 H, 그 수선이 타원과 만나는 점 Q, 선분 OP가 타원과 만나는 점 R가 있고, 각 θ와 α, 넓이 f와 g가 표시되어 있다.

이 때, 선분 OP\displaystyle OP, 선분 OA\displaystyle OA와 원의 호 PA\displaystyle PA로 둘러싸인 도형 POA\displaystyle POA의 넓이를 S1(t)\displaystyle S_{1}(t)라 하자. 그러면 선분 OP\displaystyle OPy\displaystyle y축의 1k\displaystyle \frac{1}{k} 축소 닮음에 의해 선분 OQ\displaystyle OQ로 이동되므로 도형 POA\displaystyle POAy\displaystyle y축의 1k\displaystyle \frac{1}{k} 축소 닮음에 의해 선분 OA\displaystyle OA, 선분 OQ\displaystyle OQ와 타원의 호 AQ\displaystyle AQ로 둘러싸인 도형 QOA\displaystyle QOA으로 이동된다. 논제에서 주어진 도형 QOA\displaystyle QOA의 넓이를 S(t)\displaystyle S(t)라 두면 S(t)=1kS1(t)=1k12θ\displaystyle S(t)=\frac{1}{k}S_{1}(t)=\frac{1}{k}\cdot\frac{1}{2}\theta인 관계가 성립한다.따라서 ddtS(t)=12kdθdt\displaystyle \frac{d}{dt}S(t)=\frac{1}{2k}\cdot\frac{d\theta}{dt}이고 문제의 조건에서 dθdt\displaystyle \frac{d\theta}{dt}가 일정하다고 하였으므로 ddtS(t)\displaystyle \frac{d}{dt}S(t)는 일정하다.

<1-2> (i) <그림 1>에서 tanα=QHOH\displaystyle \tan\alpha=\frac{\overline{QH}}{\overline{OH}}, tanθ=PHOH\displaystyle \tan\theta=\frac{\overline{PH}}{\overline{OH}}, QH=1kPH\displaystyle \overline{QH}=\frac{1}{k}\overline{PH}이므로 tanα=1ktanθ\displaystyle \tan\alpha=\frac{1}{k}\tan\theta이다.이 식의 양 변을 t\displaystyle t에 대해 미분하면 sec2αdαdt=1ksec2θdθdt\displaystyle \sec^{2}\alpha\frac{d\alpha}{dt}=\frac{1}{k}\sec^{2}\theta\frac{d\theta}{dt}를 얻는다.여기서 dθdt=dαdt\displaystyle \frac{d\theta}{dt}=\frac{d\alpha}{dt}이면 sec2α=1ksec2θ\displaystyle \sec^{2}\alpha=\frac{1}{k}\sec^{2}\theta이다.f(θ)=sec2αsec2θ=1+tan2α1+tan2θ=1+1k2tan2θ1+tan2θ=k2+tan2θk2+k2tan2θ\displaystyle f(\theta)=\frac{\sec^{2}\alpha}{\sec^{2}\theta}=\frac{1+\tan^{2}\alpha}{1+\tan^{2}\theta}=\frac{1+\frac{1}{k^{2}}\tan^{2}\theta}{1+\tan^{2}\theta}=\frac{k^{2}+\tan^{2}\theta}{k^{2}+k^{2}\tan^{2}\theta}라 하면 이는 0θπ2\displaystyle 0\le\theta\le\frac{\pi}{2}에서 연속이고 f(0)=1\displaystyle f(0)=1, f(π2)=1k2\displaystyle f\left(\frac{\pi}{2}\right)=\frac{1}{k^{2}}이며, 1k2<1k<1\displaystyle \frac{1}{k^{2}}<\frac{1}{k}<1이다. 따라서 중간값 정리에 의하여 f(θ)=1k\displaystyle f(\theta)=\frac{1}{k}θ\displaystyle \theta(0,π2)\displaystyle \left(0,\frac{\pi}{2}\right)에 존재한다. 이때 k2+tan2θk2+k2tan2θ=1k\displaystyle \frac{k^{2}+\tan^{2}\theta}{k^{2}+k^{2}\tan^{2}\theta}=\frac{1}{k}에서 tanθ=k\displaystyle \tan\theta=\sqrt{k}를 얻는다. 그러면 tanα=1k\displaystyle \tan\alpha=\frac{1}{\sqrt{k}}이므로 tanθtanα=1\displaystyle \tan\theta\cdot\tan\alpha=1이고 0<θ<π2\displaystyle 0<\theta<\frac{\pi}{2}, 0<α<π2\displaystyle 0<\alpha<\frac{\pi}{2}이므로 θ+α=π2\displaystyle \theta+\alpha=\frac{\pi}{2}이다.(ii)limθπ20π2θπ2α=limθπ20π2θsin(π2θ)sin(π2α)π2αsin(π2θ)sin(π2α)\displaystyle \lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{\frac{\pi}{2}-\theta}{\frac{\pi}{2}-\alpha}=\lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{\frac{\pi}{2}-\theta}{\sin\left(\frac{\pi}{2}-\theta\right)}\cdot\frac{\sin\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)}{\frac{\pi}{2}-\alpha}\cdot\frac{\sin\left(\frac{\pi}{2}-\theta\right)}{\sin\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)}=limθπ20cosθcosα=limθπ20OQ=1k\displaystyle =\lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{\cos\theta}{\cos\alpha}=\lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\overline{OQ}=\frac{1}{k}

<1-3> 아래 <그림 2>와 같이 선분 OP\displaystyle OP가 타원과 만나는 점을 R\displaystyle R, 점 R\displaystyle R에서 x\displaystyle x축에 그은 수선이 원과 만나는 점을 T\displaystyle T, TOA=β\displaystyle \angle TOA=\beta라 하면, 문제 1-2에 의하여 tanθ=1ktanβ\displaystyle \tan\theta=\frac{1}{k}\tan\beta이다.

<그림 2>. <그림 1>에, 선분 OP가 타원과 만나는 점 R에서 x축에 수직으로 올린 선이 원과 만나는 점 T와 각 TOA=β가 더해져 있다.

f+g\displaystyle f+g는 삼각형 OPQ\displaystyle OPQ의 넓이이므로 12PQOH=12k1ksinθcosθ\displaystyle \frac{1}{2}\cdot\overline{PQ}\cdot\overline{OH}=\frac{1}{2}\cdot\frac{k-1}{k}\cdot\sin\theta\cdot\cos\theta이다.OT\displaystyle \overline{OT}y\displaystyle y축의 1k\displaystyle \frac{1}{k} 축소 닮음에 의해 OR\displaystyle \overline{OR}로 이동되고 OP\displaystyle \overline{OP}y\displaystyle y축의 1k\displaystyle \frac{1}{k} 축소 닮음에 의해 OQ\displaystyle \overline{OQ}로 이동된다. 그러므로 부채꼴 OTP\displaystyle OTPy\displaystyle y축의 1k\displaystyle \frac{1}{k} 축소 닮음에 의해 도형 g\displaystyle g로 이동된다. g\displaystyle g는 부채꼴 OTP\displaystyle OTP의 넓이의 1k\displaystyle \frac{1}{k}이므로g=1k12(βθ)\displaystyle g=\frac{1}{k}\cdot\frac{1}{2}\cdot(\beta-\theta) ⋯ ㉠이다. 따라서limθπ20f+gg=limθπ20(k1)sinθcosθβθ=limθπ20(k1)sinθcosθsin(βθ)sin(βθ)βθ\displaystyle \lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{f+g}{g}=\lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{(k-1)\sin\theta\cdot\cos\theta}{\beta-\theta}=\lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{(k-1)\sin\theta\cdot\cos\theta}{\sin(\beta-\theta)}\cdot\frac{\sin(\beta-\theta)}{\beta-\theta}=limθπ20(k1)sinθcosθsinβcosθcosβsinθ=limθπ20(k1)sinθsinβcosβtanθ\displaystyle =\lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{(k-1)\sin\theta\cdot\cos\theta}{\sin\beta\cdot\cos\theta-\cos\beta\cdot\sin\theta}=\lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{(k-1)\sin\theta}{\sin\beta-\cos\beta\cdot\tan\theta}이다.이 식에 tanθ=1ktanβ\displaystyle \tan\theta=\frac{1}{k}\cdot\tan\beta을 대입하면 다음을 얻는다.limθπ20(k1)sinθsinβcosβtanθ=limθπ20(k1)sinθsinβ1ksinβ=k111k=k\displaystyle \lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{(k-1)\sin\theta}{\sin\beta-\cos\beta\cdot\tan\theta}=\lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{(k-1)\sin\theta}{\sin\beta-\frac{1}{k}\sin\beta}=\frac{k-1}{1-\frac{1}{k}}=k그러므로 limθπ20fg=k1\displaystyle \lim_{\theta\to\frac{\pi}{2}-0}\frac{f}{g}=k-1이다.

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