미적분Ⅱ여러 가지 미분법수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

두 원의 접선 각

문제

그림과 같이 중심이 점 A(1,0)\mathrm{A} \left( \mathit{1} , 0 \right)이고 반지름의 길이가 11인 원 C1C _{1}과 중심이 점 B(2,0)\mathrm{B} \left( - 2 , 0 \right)이고 반지름의 길이가 22인 원 C2C _{2}가 있다. yy축 위의 점 P(0,a)\mathrm{P} \left( 0 , \mathit{a} \right)(a>2)\displaystyle \left( a > \sqrt{2} \right)에서 원 C1C _{1}에 그은 접선 중 yy축이 아닌 직선이 원 C1C _{1}과 접하는 점을 Q\mathrm{Q}, 원 C2C _{2}에 그은 접선 중 yy축이 아닌 직선이 원 C2C _{2}와 접하는 점을 R\mathrm{R}라 하고 RPQ=θ\angle \mathrm{RPQ} = \theta라 하자. tanθ=43\displaystyle \tan \theta = \frac{4}{3}일 때, (a3)2\left( a - 3 \right) ^{2}의 값을 구하시오. [4점]

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해설

[출제의도] 삼각함수의 덧셈정리를 활용하여 문제해결하기

원점을 O\mathrm{O}, OPA=α\angle \mathrm{OPA} = \alpha, BPO=β\angle \mathrm{BPO} = \beta라 하자. 삼각형 POA\mathrm{POA}와 삼각형 PQA\mathrm{PQA}가 서로 합동이고 삼각형 PRB\mathrm{PRB}와 삼각형 POB\mathrm{POB}가 서로 합동이므로 APQ=OPA\angle \mathrm{APQ} = \angle \mathrm{OPA}, RPB=BPO\angle \mathrm{RPB} = \angle \mathrm{BPO} RPQ=θ=2(α+β)\angle \mathrm{RPQ} = \theta = 2 \left( \alpha + \beta \right)이므로 tanθ\tan \theta=tan2(α+β)= \tan 2 \left( \alpha + \beta \right) =tan(α+β)+tan(α+β)1tan(α+β)×tan(α+β)=43\displaystyle = \frac{\tan \left( \alpha + \beta \right) + \tan \left( \alpha + \beta \right)}{1 - \tan \left( \alpha + \beta \right) \times \tan \left( \alpha + \beta \right)} = \frac{4}{3} 이때, tan(α+β)=t\tan \left( \alpha + \beta \right) = t라 두면 2t1t2=43\displaystyle \frac{2 t}{1 - t ^{2}} = \frac{4}{3}, 2t2+3t2=02 t ^{2} + 3 t - 2 = 0 a>2\displaystyle a > \sqrt{2}에서 0<θ<π0 < \theta < \pi이므로 0<α+β<π2\displaystyle 0 < \alpha + \beta < \frac{\pi}{2} \therefore t=tan(α+β)=12\displaystyle t = \tan \left( \alpha + \beta \right) = \frac{1}{2} tanα=1a\displaystyle \tan \alpha = \frac{1}{a}, tanβ=2a\displaystyle \tan \beta = \frac{2}{a} tan(α+β)=tanα+tanβ1tanαtanβ=3aa22=12\displaystyle \tan \left( \alpha + \beta \right) = \frac{\tan \alpha + \tan \beta}{1 - \tan \alpha \tan \beta} = \frac{3 a}{a ^{2} - 2} = \frac{1}{2} a26a2=0a ^{2} - 6 a - 2 = 0, a=3+11\displaystyle a = 3 + \sqrt{11} 따라서 (a3)2=11\left( a - 3 \right) ^{2} = 11

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