수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의학계 1번

문제

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논술 이차곡선과 원의 위치 관계

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[문제 1-1]두 식을 연립하면 (x+1)(x1+14c)=0\displaystyle (x+1)(x-1+\frac1{4c})=0이다.(1,0)\displaystyle (-1,0) 이외의 교점이 존재하려면 1<114c<1\displaystyle -1<1-\frac1{4c}<1이어야 하므로 c>18\displaystyle c>\frac18.이때 교점은 (114c,±8c14c)\displaystyle (1-\frac1{4c},\pm\frac{\sqrt{8c-1}}{4c})이다.

[문제 1-2](1) 접점에서는 y0\displaystyle y\ne0이므로 두 접선의 기울기를 비교하면 xy=18cy\displaystyle -\frac xy=\frac1{8cy}. 따라서 a=18c\displaystyle a=-\frac1{8c}이다.(2) a1\displaystyle |a|\le1에서 c18\displaystyle c\ge\frac18이다. 다만 c=18\displaystyle c=\frac18이면 접점이 (1,0)\displaystyle (-1,0)이고 p=1\displaystyle p=-1이 되어 p<1\displaystyle p<-1에 어긋나므로, 실제 접점이 존재하려면 c>18\displaystyle c>\frac18이어야 한다.(3) 접점의 좌표는 (18c,±64c218c)\displaystyle (-\frac1{8c},\pm\frac{\sqrt{64c^2-1}}{8c})이고, 포물선의 식에 대입하면 p=4c116c\displaystyle p=-4c-\frac1{16c}이다.

[문제 1-3]교점의 x\displaystyle x좌표는 p=x4c+4cx2\displaystyle p=x-4c+4cx^21x1\displaystyle -1\le x\le1을 만족한다.F(x)=4cx2+x4c\displaystyle F(x)=4cx^2+x-4c라 하면 F(1)=1\displaystyle F(-1)=-1, F(1)=1\displaystyle F(1)=1이고, 꼭짓점의 x\displaystyle x좌표는 18c\displaystyle -\frac1{8c}이다.1<x<1\displaystyle -1<x<1인 근 하나에서는 교점이 두 개, x=±1\displaystyle x=\pm1인 근 하나에서는 교점이 한 개 생긴다.

(i) 0<c18\displaystyle 0<c\le\frac18이면 F\displaystyle F[1,1]\displaystyle [-1,1]에서 증가한다. 따라서 p=1\displaystyle p=-1이면 교점은 한 개, p<1\displaystyle p<-1이면 교점은 없다.(ii) c>18\displaystyle c>\frac18이면 구간 내부에서 최솟값 m=4c116c<1\displaystyle m=-4c-\frac1{16c}<-1을 갖는다. 따라서 p<m\displaystyle p<m이면 0개, p=m\displaystyle p=m이면 2개, m<p<1\displaystyle m<p<-1이면 4개, p=1\displaystyle p=-1이면 3개이다.

[문제 1-4]두 쌍곡선의 식에서 y2=x21\displaystyle y^2=x^2-1을 대입하면(b2a2)x22b2px+b2p2+a2(1b2)=0\displaystyle (b^2-a^2)x^2-2b^2px+b^2p^2+a^2(1-b^2)=0이다.이 식을 만족하는 서로 다른 실근 중 x>1\displaystyle |x|>1인 근 하나에서는 교점이 두 개, x=1\displaystyle |x|=1인 근 하나에서는 교점이 한 개 생긴다. x<1\displaystyle |x|<1인 근에서는 교점이 생기지 않는다.

(i) x\displaystyle x축 위에서 접하는 경우접점을 (s,0)\displaystyle (s,0)이라 하면 s=±1\displaystyle s=\pm1이고 (sp)2=a2\displaystyle (s-p)^2=a^2이므로p=s±a\displaystyle p=s\pm a, 즉 p=±1±a\displaystyle p=\pm1\pm a이다.역으로 이 조건이면 두 쌍곡선은 (s,0)\displaystyle (s,0)을 지나고 접선이 모두 x=s\displaystyle x=s이므로 그 점에서 접한다.

ab\displaystyle a\ne b일 때 A=b2a2\displaystyle A=b^2-a^2, r=2b2pAs\displaystyle r=\frac{2b^2p}{A}-s라 하면 위 이차식의 두 근은 s,r\displaystyle s,r이다.따라서 접점을 포함한 모든 교점의 개수는 다음과 같다.r=s\displaystyle r=s 또는 r<1\displaystyle |r|<1이면 1개,r=s\displaystyle r=-s이면 2개,r>1\displaystyle |r|>1이면 3개이다.r=s\displaystyle r=s인 중근은 하나의 x\displaystyle x좌표이므로 한 번만 센다.

a=b\displaystyle a=b이고 p0\displaystyle p\ne0이면 연립식은 일차식이 되어 x=s\displaystyle x=s만 가능하므로 교점은 한 개이다.a=b\displaystyle a=b이고 p=0\displaystyle p=0이면 접점이 존재하는 경우는 a=b=1\displaystyle a=b=1뿐이며, 이때 두 쌍곡선은 일치한다. 이는 서로 다른 두 곡선의 접촉과 구분하며, 교점은 무한히 많다.

(ii) x\displaystyle x축 밖에서 접하는 경우접점을 (t,u)\displaystyle (t,u)라 하면 u0\displaystyle u\ne0이다. 두 접선의 기울기가 같아야 하므로tu=b2(tp)a2u\displaystyle \frac tu=\frac{b^2(t-p)}{a^2u}, 즉 (b2a2)t=b2p\displaystyle (b^2-a^2)t=b^2p이다.a=b\displaystyle a=b이면 p=0\displaystyle p=0이고, 교점이 존재하려면 a=b=1\displaystyle a=b=1이므로 위에서 다룬 일치하는 경우뿐이다.

이제 A=b2a20\displaystyle A=b^2-a^2\ne0이라 하면 t=b2pA\displaystyle t=\frac{b^2p}{A}이다.이를 연립식에 대입하면 b2p2=A(1b2)\displaystyle b^2p^2=A(1-b^2)이고, 이 조건에서t21=a2b4b2A\displaystyle t^2-1=\frac{a^2-b^4}{b^2A}이다.축 밖의 접점이 존재하려면 t21>0\displaystyle t^2-1>0이어야 한다.

A>0\displaystyle A>0이면 a<b\displaystyle a<b이고 a>b2\displaystyle a>b^2이어야 하므로 b2<a<b\displaystyle b^2<a<b이다.A<0\displaystyle A<0이면 a>b\displaystyle a>b이고 a<b2\displaystyle a<b^2이어야 하므로 b<a<b2\displaystyle b<a<b^2이다.두 경우 모두 A(1b2)b2>0\displaystyle \frac{A(1-b^2)}{b^2}>0이므로, 축 밖에서 접할 필요충분조건은b2<a<b\displaystyle b^2<a<b 또는 b<a<b2\displaystyle b<a<b^2이고, p2=(b2a2)(1b2)b2\displaystyle p^2=\frac{(b^2-a^2)(1-b^2)}{b^2}인 것이다.

이때 연립식은 A(xt)2=0\displaystyle A(x-t)^2=0이 되므로 가능한 x\displaystyle x좌표는 t\displaystyle t 하나뿐이다.따라서 두 교점(b2pb2a2,±a2b4b2(b2a2))\displaystyle (\frac{b^2p}{b^2-a^2},\pm\sqrt{\frac{a^2-b^4}{b^2(b^2-a^2)}})모두에서 접하고, 다른 교점은 없다.

예를 들어 a=3\displaystyle a=3, b=2\displaystyle b=2, p=152\displaystyle p=\frac{\sqrt{15}}2이면 접점은(2155,±355)\displaystyle (-\frac{2\sqrt{15}}5,\pm\frac{\sqrt{35}}5)이고 교점은 이 두 개뿐이다. 이 경우는 p=±1±a\displaystyle p=\pm1\pm a에 포함되지 않는다.

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