수리논술, 이게 다다.

의학계 1번

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문제

(가) 도형의 대칭성에 대해 알아보자. 평면도형의 대칭성은 점대칭과 선대칭의 두 가지로 나눌 수 있다.도형 S\displaystyle S가 점대칭이라는 것은, 특정한 점 P\displaystyle P가 존재하여 이 점 P\displaystyle P를 중심으로 도형 S\displaystyle S를 180도 회전시키면 회전된 도형이 원래 도형에 겹쳐진다는 것을 뜻한다. 이 때 점 P\displaystyle P를 도형 S\displaystyle S의 대칭의 중심이라 한다. 도형 S\displaystyle S를 둘러싸는 원이 존재할 때 S\displaystyle S를 유계도형이라 하는데, 도형 S\displaystyle S가 유계도형이고 점대칭이면 대칭의 중심은 유일하다.평행사변형은 점대칭도형의 한 예이다. 두 대각선의 교점이 평행사변형의 대칭의 중심이다. 싸인함수의 그래프는 점대칭도형의 또 다른 예이다. 싸인함수의 그래프는 유계도형이 아니며, 대칭의 중심도 무수히 많다.다음으로, 도형 S\displaystyle S가 선대칭이라는 것은, 특정한 직선 ℓ\displaystyle \ell이 존재하여 도형 S\displaystyle S를 직선 ℓ\displaystyle \ell을 따라 접으면 도형의 두 부분이 완전하게 포개진다는 것을 뜻한다. 이 때 직선 ℓ\displaystyle \ell을 대칭축이라 하며, 대칭축은 여러 개 있을 수 있다.이등변삼각형은 선대칭도형의 예이다. 등변이 아닌 변의 수직이등분선이 이등변삼각형의 대칭축이다. 정사각형도 선대칭이며, 정사각형의 대칭축은 4개나 된다. 일반적으로 정n\displaystyle n각형은 대칭축이 n\displaystyle n개인 선대칭도형이다.

(나) 도형 S\displaystyle S가 점 P\displaystyle P에 대해 점대칭이기 위해서는, 도형 S\displaystyle S의 임의의 점 A\displaystyle A의 대칭의 중심 P\displaystyle P에 대한 대칭점 A′\displaystyle A^{\prime}이 도형 S\displaystyle S에 포함되어 있으면 된다. 이 때 세 점 A,A′,P\displaystyle A,A^{\prime},P는 점 P\displaystyle P가 선분 AA′\displaystyle AA^{\prime}의 중점이 된다는 관계를 만족한다.

[그림 1-1] 점대칭인 평행사변형

같은 식으로, 도형 S\displaystyle S가 직선 ℓ\displaystyle \ell에 대해 선대칭이기 위해서는, 도형 S\displaystyle S의 임의의 점 A\displaystyle A의 대칭축 ℓ\displaystyle \ell에 대한 대칭점 A′\displaystyle A^{\prime}이 도형 S\displaystyle S에 포함되어 있으면 된다. 이 때 두 점 A,A′\displaystyle A,A^{\prime}과 직선 ℓ\displaystyle \ell은 직선 ℓ\displaystyle \ell이 선분 AA′\displaystyle AA^{\prime}의 수직이등분선이 된다는 관계를 만족한다.

[그림 1-2] 선대칭인 삼각형

[문제 1-1] 도형 S\displaystyle S가 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프일 때 다음에 답하라.(1) (5 점) 도형 S\displaystyle S가 좌표가 (p,q)\displaystyle (p,q)인 점 P\displaystyle P에 대하여 점대칭일 조건을 함수 f\displaystyle f에 관한 식으로 나타내어라.(2) (15 점) 도형 S\displaystyle S가 방정식 y=mx+k\displaystyle y=mx+k(단, m≠0\displaystyle m\ne0)로 주어진 직선 ℓ\displaystyle \ell에 대하여 대칭일 조건을 함수 f\displaystyle f에 관한 식으로 나타내어라.

[문제 1-2] (10 점) 3차함수 y=ax3+bx2+cx+d  (a≠0)\displaystyle y=ax^3+bx^2+cx+d\;(a\ne0)의 그래프는 점대칭임을 보여라.

[문제 1-3] 함수 f(x)=x+1x\displaystyle f(x)=x+\frac1x의 그래프를 S\displaystyle S라 하자.(1) (10 점) S\displaystyle S의 두 점근선인 직선 y=x\displaystyle y=x와 y\displaystyle y-축이 이루는 예각을 2등분하는 직선 ℓ\displaystyle \ell의 방정식을 구하라.(2) (10 점) S\displaystyle S가 ℓ\displaystyle \ell에 대해 선대칭임을 보여라.

해설강의 준비중

[해답 1-1] (1) 점 (x,y)\displaystyle (x,y)가 S\displaystyle S의 임의의 점이면 등식y=f(x)⋯  ①\displaystyle y=f(x)\quad\cdots\;①가 성립한다. 점 (p,q)\displaystyle (p,q)에 대한 (x,y)\displaystyle (x,y)의 대칭점을 (s,t)\displaystyle (s,t)라 하면, s=2p−x\displaystyle s=2p-x, t=2q−y\displaystyle t=2q-y이다. S\displaystyle S가 (p,q)\displaystyle (p,q)에 대해 대칭이면 (s,t)\displaystyle (s,t)가 S\displaystyle S에 속하는 점이 되므로 등식 t=f(s)\displaystyle t=f(s)가 성립한다. 따라서,2q−y=f(2p−x)⋯  ②\displaystyle 2q-y=f(2p-x)\quad\cdots\;②가 성립하고, ①과 ②로부터 2q−f(x)=f(2p−x)\displaystyle 2q-f(x)=f(2p-x)가 성립한다.

(2) S\displaystyle S의 임의의 점을 (x,y)\displaystyle (x,y)라 하고, ℓ\displaystyle \ell에 대한 대칭점을 (s,t)\displaystyle (s,t)라 하면,{t+y2=m⋅s+x2+kt−ys−x=−1m\displaystyle \begin{cases}\frac{t+y}2=m\cdot\frac{s+x}2+k\\\frac{t-y}{s-x}=-\frac1m\end{cases}이 성립한다. 이를 s\displaystyle s와 t\displaystyle t에 대해 풀면,s=11+m2((1−m2)x+2my−2mk),\displaystyle s=\frac1{1+m^2}((1-m^2)x+2my-2mk),t=11+m2(2mx+(m2−1)y+2k)\displaystyle t=\frac1{1+m^2}(2mx+(m^2-1)y+2k)이다. (x,y)\displaystyle (x,y)와 (s,t)\displaystyle (s,t)가 S\displaystyle S에 속하는 점이므로 y=f(x)\displaystyle y=f(x)이고 t=f(s)\displaystyle t=f(s)이다. 따라서 구하는 조건은y=f(x),\displaystyle y=f(x),11+m2(2mx+(m2−1)y+2k)=f(11+m2((1−m2)x+2my−2mk))\displaystyle \frac1{1+m^2}(2mx+(m^2-1)y+2k)=f\left(\frac1{1+m^2}((1-m^2)x+2my-2mk)\right)또는11+m2(2mx+(m2−1)f(x)+2k)=f(11+m2((1−m2)x+2mf(x)−2mk))\displaystyle \frac1{1+m^2}(2mx+(m^2-1)f(x)+2k)=f\left(\frac1{1+m^2}((1-m^2)x+2mf(x)-2mk)\right)이다.

[해답 1-2] f(x)=ax3+bx2+cx+d\displaystyle f(x)=ax^3+bx^2+cx+d라 두자. 모든 x\displaystyle x에 대해 f(2p−x)+f(x)−2q=0\displaystyle f(2p-x)+f(x)-2q=0이되는 p\displaystyle p와 q\displaystyle q가 존재함을 보이면 된다.f(2p−x)+f(x)−2q=(6ap+2b)x2−(12ap2+4bp)x+8ap3+4bp2+2cp+2d−2q\displaystyle f(2p-x)+f(x)-2q=(6ap+2b)x^2-(12ap^2+4bp)x+8ap^3+4bp^2+2cp+2d-2q이므로6ap+2b=0,  12ap2+4bp=0,  8ap3+4bp2+2cp+2d−2q=0\displaystyle 6ap+2b=0,\;12ap^2+4bp=0,\;8ap^3+4bp^2+2cp+2d-2q=0을 동시에 만족하는 p\displaystyle p와 q\displaystyle q가p=−b3a,q=27a2d−9abc+2b327a2\displaystyle p=-\frac b{3a},\quad q=\frac{27a^2d-9abc+2b^3}{27a^2}으로 존재하므로 3차함수의 그래프는 항상 점대칭이다.

[해답 1-3] (1) x\displaystyle x-축 상에 한 점 A\displaystyle A를 잡고 A\displaystyle A를 지나 x\displaystyle x-축에 수직인 직선이 직선 y=x\displaystyle y=x, 직선 ℓ\displaystyle \ell과 만나는 점을 각각 B,C\displaystyle B,C라 하자.

직선 y=x와 y축이 이루는 각의 이등분선

그러면, 원점을 O\displaystyle O라 할 때, ∠ABO=∠BOC+∠BCO\displaystyle \angle ABO=\angle BOC+\angle BCO이고 ∠ABO=π4\displaystyle \angle ABO=\frac\pi4, ∠BOC=π8\displaystyle \angle BOC=\frac\pi8이므로 ∠BCO=π8=∠BOC\displaystyle \angle BCO=\frac\pi8=\angle BOC이다. 따라서 △OBC\displaystyle \triangle OBC는 이등변 삼각형이고 OB=BC\displaystyle OB=BC이다. 이제, AB=OA\displaystyle AB=OA, OB=2 OA\displaystyle OB=\sqrt2\,OA이므로, 직선 ℓ\displaystyle \ell의 기울기 m\displaystyle m은m=ACOA=AB+BCOA=OA+OBOA=OA+2 OAOA=1+2\displaystyle m=\frac{AC}{OA}=\frac{AB+BC}{OA}=\frac{OA+OB}{OA}=\frac{OA+\sqrt2\,OA}{OA}=1+\sqrt2이다. 그러므로 ℓ\displaystyle \ell의 방정식은 y=(1+2)x\displaystyle y=(1+\sqrt2)x이다.

(2) S\displaystyle S에 속하는 임의의 점을 (x,y)\displaystyle (x,y)라 하고, 이 점의 ℓ\displaystyle \ell에 대한 대칭점을 (s,t)\displaystyle (s,t)라 하자. 그러면, y=f(x)=x+1x\displaystyle y=f(x)=x+\frac1x이고, 앞 문제의 풀이에 의해s=11+m2((1−m2)x+2my−2mk)=14+22((−2−22)x+2(1+2)(x+1x))=12x,t=11+m2(2mx+(m2−1)y+2k)=14+22(2(1+2)x+(2+22)(x+1x))=2x+12x\displaystyle \begin{aligned}s&=\frac1{1+m^2}((1-m^2)x+2my-2mk)\\&=\frac1{4+2\sqrt2}\left((-2-2\sqrt2)x+2(1+\sqrt2)\left(x+\frac1x\right)\right)=\frac1{\sqrt2x},\\t&=\frac1{1+m^2}(2mx+(m^2-1)y+2k)\\&=\frac1{4+2\sqrt2}\left(2(1+\sqrt2)x+(2+2\sqrt2)\left(x+\frac1x\right)\right)=\sqrt2x+\frac1{\sqrt2x}\end{aligned}이다. 따라서 t=f(s)\displaystyle t=f(s)가 성립하므로 (s,t)\displaystyle (s,t)는 S\displaystyle S에 속한다. 그러므로 S\displaystyle S는 ℓ\displaystyle \ell에 대해 대칭이다.

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