연세대 신촌캠퍼스 2011학년도 수시 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/yonsei_sinchon/2011su/jayeon_1
<1-1> <그림 1>과 같이 원 x2+y2=1과 타원 x2+k2y2=1에 대해 원 위의 점 P가 시각 t에 대해 반시계 방향으로 원 위를 움직이므로 원점 O에 대하여 선분 OP가 x축의 양의 방향과 이루는 각을 θ라 하자. 원 위의 점 P에서 x축에 내린 수선이 타원과 1사분면에서 만나는 점을 Q, 그 수선의 발을 H, 선분 OQ가 x축의 양의 방향과 이루는 각을 α라 하자.
이 때, 선분 OP, 선분 OA와 원의 호 PA로 둘러싸인 도형 POA의 넓이를 S1(t)라 하자. 그러면 선분 OP는 y축의 k1 축소 닮음에 의해 선분 OQ로 이동되므로 도형 POA는 y축의 k1 축소 닮음에 의해 선분 OA, 선분 OQ와 타원의 호 AQ로 둘러싸인 도형 QOA으로 이동된다. 논제에서 주어진 도형 QOA의 넓이를 S(t)라 두면 S(t)=k1S1(t)=k1⋅21θ인 관계가 성립한다.따라서 dtdS(t)=2k1⋅dtdθ이고 문제의 조건에서 dtdθ가 일정하다고 하였으므로 dtdS(t)는 일정하다.
<1-2> (i) <그림 1>에서 tanα=OHQH, tanθ=OHPH, QH=k1PH이므로 tanα=k1tanθ이다.이 식의 양 변을 t에 대해 미분하면 sec2αdtdα=k1sec2θdtdθ를 얻는다.여기서 dtdθ=dtdα이면 sec2α=k1sec2θ이다.f(θ)=sec2θsec2α=1+tan2θ1+tan2α=1+tan2θ1+k21tan2θ=k2+k2tan2θk2+tan2θ라 하면 이는 0≤θ≤2π에서 연속이고 f(0)=1, f(2π)=k21이며, k21<k1<1이다. 따라서 중간값 정리에 의하여 f(θ)=k1인 θ가 (0,2π)에 존재한다. 이때 k2+k2tan2θk2+tan2θ=k1에서 tanθ=k를 얻는다. 그러면 tanα=k1이므로 tanθ⋅tanα=1이고 0<θ<2π, 0<α<2π이므로 θ+α=2π이다.(ii)θ→2π−0lim2π−α2π−θ=θ→2π−0limsin(2π−θ)2π−θ⋅2π−αsin(2π−α)⋅sin(2π−α)sin(2π−θ)=θ→2π−0limcosαcosθ=θ→2π−0limOQ=k1
<1-3> 아래 <그림 2>와 같이 선분 OP가 타원과 만나는 점을 R, 점 R에서 x축에 그은 수선이 원과 만나는 점을 T, ∠TOA=β라 하면, 문제 1-2에 의하여 tanθ=k1tanβ이다.
f+g는 삼각형 OPQ의 넓이이므로 21⋅PQ⋅OH=21⋅kk−1⋅sinθ⋅cosθ이다.OT은 y축의 k1 축소 닮음에 의해 OR로 이동되고 OP은 y축의 k1 축소 닮음에 의해 OQ로 이동된다. 그러므로 부채꼴 OTP는 y축의 k1 축소 닮음에 의해 도형 g로 이동된다. g는 부채꼴 OTP의 넓이의 k1이므로g=k1⋅21⋅(β−θ) ⋯ ㉠이다. 따라서θ→2π−0limgf+g=θ→2π−0limβ−θ(k−1)sinθ⋅cosθ=θ→2π−0limsin(β−θ)(k−1)sinθ⋅cosθ⋅β−θsin(β−θ)=θ→2π−0limsinβ⋅cosθ−cosβ⋅sinθ(k−1)sinθ⋅cosθ=θ→2π−0limsinβ−cosβ⋅tanθ(k−1)sinθ이다.이 식에 tanθ=k1⋅tanβ을 대입하면 다음을 얻는다.θ→2π−0limsinβ−cosβ⋅tanθ(k−1)sinθ=θ→2π−0limsinβ−k1sinβ(k−1)sinθ=1−k1k−1=k그러므로 θ→2π−0limgf=k−1이다.