수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

약학과 2번

문제

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해설강의 준비중
+4점 · 두 점 A, B의 x\displaystyle x좌표가 a2t2apt1=0\displaystyle \frac a2t^2-apt-1=0을 만족한다는 것을 관찰

[문제 2-1] 함수 f(x)=a2x2\displaystyle f(x)=\frac a2x^2 위의 한 접점의 좌표를 (t,a2t2)\displaystyle \left(t,\frac a2t^2\right)이라 하면 f(t)=at\displaystyle f^{\prime}(t)=at이므로 접선의 방정식은 y=at(xt)+a2t2\displaystyle y=at(x-t)+\frac a2t^2이다. 이때 이 접선이 점 P(p,1)\displaystyle \mathrm{P}(p,-1)를 지나므로 a2t2apt1=0\displaystyle \frac a2t^2-apt-1=0이다. 점 A와 점 B의 x\displaystyle x좌표를 각각 β\displaystyle \beta, γ\displaystyle \gamma (β<γ\displaystyle \beta<\gamma)라 하면, β\displaystyle \betaγ\displaystyle \gamma는 위 이차방정식의 서로 다른 두 실근이다. 이차방정식의 근과 계수의 관계에 의하여β+γ=2p,βγ=2a\displaystyle \beta+\gamma=2p,\quad\beta\gamma=-\frac2a\qquad\cdots\cdots\text{①}이다.

+4점 · 점 Q의 x\displaystyle x좌표를 올바르게 나타냄

한편 두 직선 m1\displaystyle m_1m2\displaystyle m_2의 방정식은 각각m1:y=1aβ(xβ)+aβ22,m2:y=1aγ(xγ)+aγ22\displaystyle m_1:y=-\frac1{a\beta}(x-\beta)+\frac{a\beta^2}2,\quad m_2:y=-\frac1{a\gamma}(x-\gamma)+\frac{a\gamma^2}2이므로 xa(1β1γ)+a2(β2γ2)=0\displaystyle -\frac xa\left(\frac1\beta-\frac1\gamma\right)+\frac a2(\beta^2-\gamma^2)=0에서 x=2ap\displaystyle x=2ap이다.

+4점 · 점 Q의 y\displaystyle y좌표를 올바르게 나타냄

①을 이용하면 점 Q의 y\displaystyle y좌표는 다음과 같다.y=2apaβ+1a+aβ22=β+γβ+1aβ2βγ=2ap2+1a+1\displaystyle y=-\frac{2ap}{a\beta}+\frac1a+\frac{a\beta^2}2=-\frac{\beta+\gamma}\beta+\frac1a-\frac{\beta^2}{\beta\gamma}=2ap^2+\frac1a+1그러므로 점 Q의 x\displaystyle x좌표는 x=2ap\displaystyle x=2ap이고 y\displaystyle y좌표는 y=2ap2+1a+1\displaystyle y=2ap^2+\frac1a+1이다.

+3점 · 6p2+43=32(6p)2\displaystyle 6p^2+\frac43=\frac32(6p)^2임을 나타냄

[문제 2-2](1) [문제 2-1]에서 구한 점 Q의 좌표에 a=3\displaystyle a=3을 대입하면 점 Q의 좌표는 (6p,6p2+43)\displaystyle \left(6p,6p^2+\frac43\right)이다. 점 Q가 곡선 y=f(x)=a2x2\displaystyle y=f(x)=\frac a2x^2 위의 점이므로 6p2+43=32(6p)2\displaystyle 6p^2+\frac43=\frac32(6p)^2이다. 따라서 p2=136\displaystyle p^2=\frac1{36}이고 p=±16\displaystyle p=\pm\frac16이다.

+3점 · 점 Q가 제2사분면의 위의 점이라는 것으로부터 답을 구함

점 Q가 제2사분면 위의 점이므로 p=16\displaystyle p=-\frac16이다.

각 3점 · 점 A와 점 B의 좌표를 올바르게 구함

(2) 점 Q가 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점이고 제2사분면 위에 있으므로 점 Q와 점 A는 일치한다. 따라서 삼각형 APB는 선분 AP가 빗변인 직각삼각형이다. a=3\displaystyle a=3이고 [문제 2-2] (1)에 의해 p=16\displaystyle p=-\frac16이므로 [문제 2-1]의 ①에 대입하여 점 A와 점 B의 x\displaystyle x좌표 β\displaystyle \beta, γ\displaystyle \gamma (β<γ\displaystyle \beta<\gamma)를 계산하면 β=1\displaystyle \beta=-1이고 γ=23\displaystyle \gamma=\frac23이다. 따라서 점 A의 좌표는 (1,32)\displaystyle \left(-1,\frac32\right)이고 점 B의 좌표는 (23,23)\displaystyle \left(\frac23,\frac23\right)이다.

+4점 · 답을 올바르게 구함

[문제 2-2] (1)에 의해 점 P의 좌표는 (16,1)\displaystyle \left(-\frac16,-1\right)이므로 AB=556\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\frac{5\sqrt5}6, AP=5106\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}=\frac{5\sqrt{10}}6이다. 그러므로 sinθ=ABAP=22\displaystyle \sin\theta=\frac{\overline{\mathrm{AB}}}{\overline{\mathrm{AP}}}=\frac{\sqrt2}2이다.

+4점 · 네 점 P, Q, A, B는 원 위에 있음을 관찰

[문제 2-3](1) 【그림 4】의 오른쪽 그림에 의해 삼각형 PQA와 PQB는 각각 A\displaystyle \angle\mathrm{A}B\displaystyle \angle\mathrm{B}가 직각인 직각삼각형이므로, 점 P, Q, A, B는 원 위에 있고 선분 PQ는 그 원의 지름이다.

+4점 · 답을 올바르게 구함

또한, 그 원은 삼각형 APB의 외접원이므로 사인법칙에 의해 ABsinθ=PQ\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{AB}}}{\sin\theta}=\overline{\mathrm{PQ}}이다. cosθ=21313\displaystyle \cos\theta=\frac{2\sqrt{13}}{13}이므로 0<θ<π2\displaystyle 0<\theta<\frac\pi2이므로 sinθ=31313\displaystyle \sin\theta=\frac{3\sqrt{13}}{13}이다. 그러므로 PQ=ABsinθ=1255×13313=4655\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=\frac{\overline{\mathrm{AB}}}{\sin\theta}=\frac{12\sqrt5}5\times\frac{13}{3\sqrt{13}}=\frac{4\sqrt{65}}5이다.

+4점 · 삼각형 APT와 QTB가 닮음임을 관찰

(2) 두 선분 AQ와 BP의 교점을 T라 하면 삼각형 APT와 QTB는 각각 A\displaystyle \angle\mathrm{A}B\displaystyle \angle\mathrm{B}가 직각인 직각삼각형이다. AP:BQ=3:13\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}:\overline{\mathrm{BQ}}=3:\sqrt{13}이므로 양수 k\displaystyle k에 대하여 AP=3k\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}=3k, BQ=13k\displaystyle \overline{\mathrm{BQ}}=\sqrt{13}k라 하자. 호 AB에 대한 원주각의 크기는 같으므로 [문제 2-3]의 (1)로부터 Q\displaystyle \angle\mathrm{Q}의 크기는 θ\displaystyle \theta임을 알 수 있다. 따라서 삼각형 APT와 QTB는 닮음비가 3:13\displaystyle 3:\sqrt{13}인 닮은 삼각형이다.

각 3점 · AP\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}BP\displaystyle \overline{\mathrm{BP}}의 길이를 구함

PTcosθ=AP=3k\displaystyle \overline{\mathrm{PT}}\cos\theta=\overline{\mathrm{AP}}=3k이므로 PT=3132k\displaystyle \overline{\mathrm{PT}}=\frac{3\sqrt{13}}2k이고, PTsinθ=AT\displaystyle \overline{\mathrm{PT}}\sin\theta=\overline{\mathrm{AT}}이므로 AT=92k\displaystyle \overline{\mathrm{AT}}=\frac92k이다. 두 삼각형의 닮음비를 이용하면 AT:BT=3:13\displaystyle \overline{\mathrm{AT}}:\overline{\mathrm{BT}}=3:\sqrt{13}이므로 BT=133AT=3132k\displaystyle \overline{\mathrm{BT}}=\frac{\sqrt{13}}3\overline{\mathrm{AT}}=\frac{3\sqrt{13}}2k이고, 이를 통해 BP=PT+BT=313k\displaystyle \overline{\mathrm{BP}}=\overline{\mathrm{PT}}+\overline{\mathrm{BT}}=3\sqrt{13}k를 얻을 수 있다.

+4점 · 답을 올바르게 구함

피타고라스의 정리에 의해 PQ2=BP2+BQ2\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}^2=\overline{\mathrm{BP}}^2+\overline{\mathrm{BQ}}^2이므로 [문제 2-3]의 (1)에서 구한 PQ\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}를 이용하면 (4655)2=(313k)2+(13k)2\displaystyle \left(\frac{4\sqrt{65}}5\right)^2=(3\sqrt{13}k)^2+(\sqrt{13}k)^2이고 이를 정리하면 k2=825\displaystyle k^2=\frac8{25}이다. 그러므로 삼각형 APB의 넓이는12AP×BP×sinθ=12×(3k)×(313k)×31313=272k2=10825\displaystyle \frac12\overline{\mathrm{AP}}\times\overline{\mathrm{BP}}\times\sin\theta=\frac12\times(3k)\times(3\sqrt{13}k)\times\frac{3\sqrt{13}}{13}=\frac{27}2k^2=\frac{108}{25}이다.

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