수리논술, 이게 다다.

의예과 4번

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문제

[문항 4] 제시문 (ㄱ)~(ㄴ)을 읽고 논제에 답하시오. (90점)

(ㄱ) 실수 a,b\displaystyle a,b와 정의역이 {x∣x<0}\displaystyle \{x\mid x<0\}인 유리함수 f(x)=1x\displaystyle f(x)=\frac1x, 정의역이 {x∣x>−a}\displaystyle \{x\mid x>-a\}인 유리함수 g(x)=1x+a−b\displaystyle g(x)=\frac1{x+a}-b에 대하여 다음을 만족하는 좌표평면 위의 점 (a,b)\displaystyle (a,b)가 나타내는 영역을 D\displaystyle D라고 하자.

곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)에 접하고 동시에 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)에 접하는 직선이 있다.

(ㄴ) 점 P(23,0)\displaystyle \mathrm P(2\sqrt3,0), 점 Q(−23,0)\displaystyle \mathrm Q(-2\sqrt3,0)에 대하여, 제1사분면 위의 점 R(x,y)\displaystyle \mathrm R(x,y)가 제시문 (ㄱ)의 영역 D\displaystyle D에 속하지 않을 때, 선분 PR‾\displaystyle \overline{\mathrm{PR}}의 길이와 선분 QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}}의 길이의 합을 M\displaystyle M이라고 하자. (단, x>0,  y>0\displaystyle x>0,\;y>0)

[논제] (90점) 제시문 (ㄱ)의 영역 D\displaystyle D를 좌표평면 위에 나타내고 그 근거를 논술하시오. 또한 제시문 (ㄴ)의 M\displaystyle M의 값의 범위를 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중
+10점

곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x), 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)에 동시에 접하는 직선을 l\displaystyle l, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와의 교점을 (p,1p)\displaystyle \left(p,\frac1p\right), 곡선 y=g(x)\displaystyle y=g(x)와의 교점을 (q,1q+a−b)\displaystyle \left(q,\frac1{q+a}-b\right)라고 하면 직선 l\displaystyle l위의 점 (x,y)\displaystyle (x,y)는 다음 두 식을 모두 만족하여야 한다.y=−1p2x+2p,y=−1(q+a)2x+q(q+a)2+1q+a−b\displaystyle y=-\frac1{p^2}x+\frac2p,\quad y=-\frac1{(q+a)^2}x+\frac q{(q+a)^2}+\frac1{q+a}-b따라서p2=(q+a)2,  2p=q(q+a)2+1q+a−b,  ⋯①\displaystyle p^2=(q+a)^2,\;\frac2p=\frac q{(q+a)^2}+\frac1{q+a}-b,\;\cdots\text{①}p<0\displaystyle p<0이고 q>−a\displaystyle q>-a이므로 ①의 첫 번째 식에서 q+a=−p\displaystyle q+a=-p이 되고 두 번째 식에 대입하면 다음의 방정식을 얻을 수 있다.ap2+4p+b=0⇒h(p)=bp2+4p+a=0  (단, p<0)\displaystyle \frac a{p^2}+\frac4p+b=0\quad\Rightarrow\quad h(p)=bp^2+4p+a=0\;(\text{단, }p<0)그러므로 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0이 음수인 해를 한 개 이상 가져야 한다.

+30점

I) b=0\displaystyle b=0인 경우h(x)=4x+a\displaystyle h(x)=4x+a가 되어 a>0\displaystyle a>0이면 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 음수인 해를 갖는다.II) b≠0\displaystyle b\ne0인 경우h(x)=b(x2+4bx+ab)\displaystyle h(x)=b\left(x^2+\frac4bx+\frac ab\right)이다. 따라서 ab<0\displaystyle \frac ab<0이면 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 양수와 음수인 실근을 각각 하나씩 갖는다.ab≥0\displaystyle \frac ab\ge0이면 이차 방정식의 판별식과 근과 계수의 관계로부터 방정식 h(x)=0\displaystyle h(x)=0은 4−ab≥0\displaystyle 4-ab\ge0이고 −4b<0\displaystyle -\frac4b<0일 때 음수의 실근을 갖는다.

+10점

I), II)으로부터 영역 D\displaystyle D는 b>0\displaystyle b>0이면 ab≤4\displaystyle ab\le4이고 b≤0\displaystyle b\le0이면 a>0\displaystyle a>0이다. 이를 좌표평면에 나타내면 다음과 같다.

공통 접선을 갖는 매개변수 영역 D
+10점

점 R\displaystyle \mathrm R이 영역 D\displaystyle D에 속하지 않으므로, 다음이 성립한다.xy>4(x>0)\displaystyle xy>4\quad(x>0)그리고 타원의 정의로부터 점 R\displaystyle \mathrm R은 장축의 길이가 M\displaystyle M이고 두 초점이 각각 P,Q\displaystyle \mathrm P,\mathrm Q인 타원 위에 있다. 따라서4x2M2+4y2M2−48=1  (단, M2>48)\displaystyle \frac{4x^2}{M^2}+\frac{4y^2}{M^2-48}=1\;(\text{단, }M^2>48)도 만족한다.

영역 D 밖의 점 R을 지나는 타원과 쌍곡선
+10점

위의 그림으로부터 선분 PR‾\displaystyle \overline{\mathrm{PR}}의 길이와 선분 QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}}의 길이의 합 M\displaystyle M이 갖는 범위는 다음의 연립 방정식이 서로 다른 두 교점을 갖게 하는 범위와 같다.4x2M2+4y2M2−48=1,y=4x(단, x,y>0,  M2>48)\displaystyle \frac{4x^2}{M^2}+\frac{4y^2}{M^2-48}=1,\quad y=\frac4x\quad(\text{단, }x,y>0,\;M^2>48)

+20점

따라서4x2M2+43(M2−48)x2=1\displaystyle \frac{4x^2}{M^2}+\frac{4^3}{(M^2-48)x^2}=1⇒4(M2−48)t2−M2(M2−48)t+43M2=0(단, t=x2)\displaystyle \Rightarrow\quad4(M^2-48)t^2-M^2(M^2-48)t+4^3M^2=0\quad(\text{단, }t=x^2)위의 방정식이 다른 두 개의 양의 실근을 가져야 하므로, 2차방정식의 판별식과 근과 계수의 관계로부터 다음을 얻을 수 있다.M4−48M2−45>0⇒M2>64\displaystyle M^4-48M^2-4^5>0\quad\Rightarrow\quad M^2>64따라서 M\displaystyle M의 값의 범위는 다음과 같다.M>8.\displaystyle M>8.

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