[그림 1]과 같이 좌표평면 위에 중심이 원점이고 반지름의 길이가 4인 큰 원 C1과 반지름의 길이가 1인 작은 원 C2가 점 (4,0)에서 외접하고 있다. 이때 작은 원 위의 한 점을 P라 하자. [그림 2]와 같이 원 C2가 원 C1에 접한 상태로 굴러갈 때, 두 원의 중심을 연결한 선분이 x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 θ라 하자. θ의 값이 0에서 2π까지 변할 때, 점 (4,0)에서 출발한 점 P가 움직인 거리는? [4점]
[그림 1] [그림 2]
①8②9③10④11⑤12
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③
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해설
점 P에 대하여 OP의 위치벡터를 (x,y)라 하면
θ가 0에서 2π까지 변할 때, 점 P가 움직인 거리는
∫02π(dθdx)2+(dθdy)2⋅dθ이다.
원 C2의 중심을 O′이라 하면
OO′=(5cosθ,5sinθ),
O′P=(cos(π+5θ),sin(π+5θ))=(−cos5θ,−sin5θ)
이므로
OP=OO′+O′P=(5cosθ−cos5θ,5sinθ−sin5θ)
∴ dθdx=−5sinθ+5sin5θdθdy=5cosθ−5cos5θ(dθdx)2+(dθdy)2=(−5sinθ+5sin5θ)2+(5cosθ−5cos5θ)2=50−50(sinθsin5θ+cosθcos5θ)=50−50cos4θ=50−50(1−2sin22θ)=100sin22θ
∴ ∫02π(dθdx)2+(dθdy)2⋅dθ=∫02π10sin2θdθ=[−5cos2θ]02π=10