수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문항 3] 제시문 (ㄱ)~(ㄷ)을 읽고 문제(논제 1, 논제 2)에 답하시오. (40점)

(ㄱ) [좌표평면 위의 두 점 사이의 거리] 좌표평면 위의 두 점 A(x1,y1),  B(x2,y2)\displaystyle \mathrm A(x_1,y_1),\;\mathrm B(x_2,y_2)사이의 거리는 다음과 같다.

AB‾=(x2−x1)2+(y2−y1)2\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\sqrt{(x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2}

(ㄴ) 실수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 다음 조건을 모두 만족하는 점 (a,b)\displaystyle (a,b)전체의 집합을 E\displaystyle E라고 하자.

i) b≠0\displaystyle b\ne0

ii) 점 P(0,0),  Q(a,b),  R(a+b,0)\displaystyle \mathrm P(0,0),\;\mathrm Q(a,b),\;\mathrm R(a+b,0)는 반지름이 1\displaystyle 1인 동일한 원 위에 있다.

(ㄷ) 제시문 (ㄴ)의 집합 E\displaystyle E에 속한 점 (x,y)\displaystyle (x,y)와 점 S(−2,1)\displaystyle \mathrm S(-\sqrt2,1)사이의 거리의 최솟값을 m\displaystyle m이라고 하자.

[논제 1] (20점) 제시문 (ㄴ)의 집합 E\displaystyle E에 속한 모든 점을 좌표평면 위에 나타내고 그 근거를 논술하시오.

[논제 2] (20점) 제시문 (ㄷ)의 m\displaystyle m을 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+5점

우선 b≠0\displaystyle b\ne0이므로 P≠Q\displaystyle \mathrm P\ne\mathrm Q이고 Q≠R\displaystyle \mathrm Q\ne\mathrm R이다. 그러므로 P=R  (a+b=0)\displaystyle \mathrm P=\mathrm R\;(a+b=0)인 경우와 P≠R  (a+b≠0)\displaystyle \mathrm P\ne\mathrm R\;(a+b\ne0)인 경우로 나누어서 생각한다.1) a+b≠0\displaystyle a+b\ne0인 경우제시문 (ㄴ)의 세 점 P,Q,R\displaystyle \mathrm P,\mathrm Q,\mathrm R을 지나는 원은 삼각형 △PQR\displaystyle \triangle\mathrm{PQR}의 외접원이다. 따라서 원의 중심은 선분 PQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}의 수직이등분선과 PR‾\displaystyle \overline{\mathrm{PR}}의 수직이등분선의 교점이다. 선분 PQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}의 수직이등분선은 a≠0\displaystyle a\ne0인 경우 y=−ab(x−a2)+b2\displaystyle y=-\frac ab\left(x-\frac a2\right)+\frac b2, a=0\displaystyle a=0인 경우 y=b2\displaystyle y=\frac b2이다. 즉 y=−ab(x−a2)+b2\displaystyle y=-\frac ab\left(x-\frac a2\right)+\frac b2이다. 선분 PR‾\displaystyle \overline{\mathrm{PR}}의 수직이등분선이 x=a+b2\displaystyle x=\frac{a+b}2이므로 세 점을 지나는 원의 중심은 (a+b2,−a−b2)\displaystyle \left(\frac{a+b}2,-\frac{a-b}2\right)이다. 외접원의 반지름이 1\displaystyle 1이므로 실수 a,b\displaystyle a,b가 만족하는 식은(a+b2)2+(a−b2)2=1.\displaystyle \left(\frac{a+b}2\right)^2+\left(\frac{a-b}2\right)^2=1.즉,a2+b2=2  (단, a+b≠0,  b≠0).\displaystyle a^2+b^2=2\;(\text{단, }a+b\ne0,\;b\ne0).

+5점

2) a+b=0\displaystyle a+b=0인 경우반지름이 1\displaystyle 1인 원이 좌표평면 위의 두 점을 지나기 위해서는 두 점 사이의 거리가 2\displaystyle 2이하면 된다. 따라서 a\displaystyle a의 범위는 다음과 같다.∣PQ‾∣=a2+b2=a2+(−a)2=2∣a∣≤2.  (∗)\displaystyle |\overline{\mathrm{PQ}}|=\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{a^2+(-a)^2}=\sqrt2|a|\le2.\;(*)그러므로 제시문 (ㄴ)의 조건 i)와 부등식 (*)에 의해a+b=0(−2≤a<0,  0<a≤2)\displaystyle a+b=0\quad(-\sqrt2\le a<0,\;0<a\le\sqrt2)

+10점

1), 2)의 경우에 의해서 집합 E\displaystyle E에 속한 모든 점을 좌표평면 위에 나타내면 다음과 같다.

원 a²+b²=2와 직선 a+b=0의 부분으로 이루어진 집합 E
+5점

제시문 (ㄱ)에 의해서 E\displaystyle E의 한 점 (x,y)\displaystyle (x,y)와 점 S\displaystyle \mathrm S사이의 거리 l\displaystyle l은 다음과 같다.l=(x+2)2+(y−1)2(단, (x,y)∈E)\displaystyle l=\sqrt{(x+\sqrt2)^2+(y-1)^2}\quad(\text{단, }(x,y)\in E)1) 점 (x,y)\displaystyle (x,y)가 x2+y2=2\displaystyle x^2+y^2=2 (단, y≠0\displaystyle y\ne0)을 만족하는 경우원 x2+y2=2\displaystyle x^2+y^2=2의 중심을 O\displaystyle \mathrm O라고 하자. 점 S\displaystyle \mathrm S가 원 x2+y2=2\displaystyle x^2+y^2=2의 외부에 있으므로, y≠0\displaystyle y\ne0인 원 x2+y2=2\displaystyle x^2+y^2=2위의 점 (x,y)\displaystyle (x,y)와 점 S\displaystyle \mathrm S사이의 거리는 점 (x,y)\displaystyle (x,y)가 선분 OS‾\displaystyle \overline{\mathrm{OS}}와 원 x2+y2=2  (y≠0)\displaystyle x^2+y^2=2\;(y\ne0)의 교점일 때 최소가 된다. 점 S\displaystyle \mathrm S의 y\displaystyle y좌표가 0\displaystyle 0이 아니므로 원 x2+y2=2  (y≠0)\displaystyle x^2+y^2=2\;(y\ne0)교점이 존재하고 이 때의 거리는 다음과 같다.m1=3−2\displaystyle m_1=\sqrt3-\sqrt2

+5점

2) 점 (x,y)\displaystyle (x,y)가 x+y=0\displaystyle x+y=0 (단, 0<∣x∣≤2\displaystyle 0<|x|\le\sqrt2)을 만족하는 경우l=(x+2)2+(y−1)2=(x+2)2+(x+1)2=2(x+2+12)2+32−2\displaystyle \begin{aligned}l&=\sqrt{(x+\sqrt2)^2+(y-1)^2}=\sqrt{(x+\sqrt2)^2+(x+1)^2}\\&=\sqrt{2\left(x+\frac{\sqrt2+1}2\right)^2+\frac32-\sqrt2}\end{aligned}여기서 −2≤−2+12<0\displaystyle -\sqrt2\le-\frac{\sqrt2+1}2<0이므로 거리의 최솟값은 다음과 같다.m2=32−2=1−22\displaystyle m_2=\sqrt{\frac32-\sqrt2}=1-\frac{\sqrt2}2

+10점

1), 2)에 의해서 m\displaystyle m은 m1=3−2\displaystyle m_1=\sqrt3-\sqrt2와 m2=1−22\displaystyle m_2=1-\frac{\sqrt2}2 중 작은 값이 된다.한편 m1−m2=3−(1+22)\displaystyle m_1-m_2=\sqrt3-\left(1+\frac{\sqrt2}2\right)이고,(1+22)2=32+2<32+94=3=(3)2\displaystyle \left(1+\frac{\sqrt2}2\right)^2=\frac32+\sqrt2<\frac32+\sqrt{\frac94}=3=(\sqrt3)^2이다.그러므로 m1>m2\displaystyle m_1>m_2이다. 따라서 m=m2=1−22\displaystyle m=m_2=1-\frac{\sqrt2}2이다.

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