수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

논제 1.

+10점 · 원 x2+y2=9\displaystyle x^2+y^2=9 위의 한 점 (a,b)\displaystyle (a,b)에서의 접선이 점 A\displaystyle \mathrm{A}를 지난다고 하자. 접선의 방정식은 ax+by=9\displaystyle ax+by=9이고, 이 접선이 점 A(5,0)\displaystyle \mathrm{A}(-5,0)을 지나므로 5a=9\displaystyle -5a=9이다. 즉, a=95\displaystyle a=-\frac95이다. 점 (a,b)\displaystyle (a,b)는 원 위에 있으므로 a2+b2=9\displaystyle a^2+b^2=9이고, b=±125\displaystyle b=\pm\frac{12}{5}이다. 제시문 (ㄱ)에 의하여 C(95,125)\displaystyle \mathrm{C}\left(-\frac95,\frac{12}{5}\right)이고 D(95,125)\displaystyle \mathrm{D}\left(-\frac95,-\frac{12}{5}\right)이다.

x2+y2=9\displaystyle x^2+y^2=9 위의 한 점 (a,b)\displaystyle (a,b)에서의 접선이 점 A\displaystyle \mathrm{A}를 지난다고 하자. 접선의 방정식은 ax+by=9\displaystyle ax+by=9이고, 이 접선이 점 A(5,0)\displaystyle \mathrm{A}(-5,0)을 지나므로 5a=9\displaystyle -5a=9이다. 즉, a=95\displaystyle a=-\frac95이다.(a,b)\displaystyle (a,b)는 원 위에 있으므로 a2+b2=9\displaystyle a^2+b^2=9이고, b=±125\displaystyle b=\pm\frac{12}{5}이다.제시문 (ㄱ)에 의하여 C(95,125)\displaystyle \mathrm{C}\left(-\frac95,\frac{12}{5}\right)이고 D(95,125)\displaystyle \mathrm{D}\left(-\frac95,-\frac{12}{5}\right)이다.

+10점 · AB=10\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\sqrt{10}이고 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 방정식은 3xy+15=0\displaystyle 3x-y+15=0이므로 점 C,D\displaystyle \mathrm{C},\mathrm{D}에서 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}까지의 거리는 각각 2712+75510=36510,27+12+75510=1210\displaystyle \frac{|-27-12+75|}{5\sqrt{10}}=\frac{36}{5\sqrt{10}},\quad\frac{|-27+12+75|}{5\sqrt{10}}=\frac{12}{\sqrt{10}}이다. 따라서 S=12×10×1210=6\displaystyle S=\frac12\times\sqrt{10}\times\frac{12}{\sqrt{10}}=6

AB=10\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\sqrt{10}이고 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 방정식은 3xy+15=0\displaystyle 3x-y+15=0이므로 점 C,D\displaystyle \mathrm{C},\mathrm{D}에서 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}까지의 거리는 각각2712+75510=36510,27+12+75510=1210\displaystyle \frac{|-27-12+75|}{5\sqrt{10}}=\frac{36}{5\sqrt{10}},\quad\frac{|-27+12+75|}{5\sqrt{10}}=\frac{12}{\sqrt{10}}이다.따라서 S=12×10×1210=6\displaystyle S=\frac12\times\sqrt{10}\times\frac{12}{\sqrt{10}}=6

논제 2.

+8점 · 두 점 P,Q\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q}의 중점을 R(c,d)\displaystyle \mathrm{R}(c,d)라 하자. 원점 O\displaystyle \mathrm{O}에 대해 삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}OP=OQ=32\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}=\overline{\mathrm{OQ}}=3\sqrt2인 이등변삼각형이므로 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}와 선분 OR\displaystyle \mathrm{OR}은 수직이고 OR2+RP2=18\displaystyle \overline{\mathrm{OR}}^2+\overline{\mathrm{RP}}^2=18, 즉 OR=3\displaystyle \overline{\mathrm{OR}}=3이다. 따라서 직선 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}는 원 x2+y2=9\displaystyle x^2+y^2=9 위의 점 R(c,d)\displaystyle \mathrm{R}(c,d)에서의 접선, cx+dy=9\displaystyle cx+dy=9와 같다. 논제 1에서 c=95\displaystyle c=-\frac95이면 점 A,P,Q\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{P},\mathrm{Q}가 한 직선 위에 있으므로 3c3,  c95\displaystyle -3\leq c\leq3,\;c\ne-\frac95이다.

두 점 P,Q\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q}의 중점을 R(c,d)\displaystyle \mathrm{R}(c,d)라 하자. 원점 O\displaystyle \mathrm{O}에 대해 삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}OP=OQ=32\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}=\overline{\mathrm{OQ}}=3\sqrt2인 이등변삼각형이므로 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}와 선분 OR\displaystyle \mathrm{OR}은 수직이고 OR2+RP2=18\displaystyle \overline{\mathrm{OR}}^2+\overline{\mathrm{RP}}^2=18, 즉 OR=3\displaystyle \overline{\mathrm{OR}}=3이다.따라서 직선 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}는 원 x2+y2=9\displaystyle x^2+y^2=9 위의 점 R(c,d)\displaystyle \mathrm{R}(c,d)에서의 접선, cx+dy=9\displaystyle cx+dy=9와 같다.논제 1에서 c=95\displaystyle c=-\frac95이면 점 A,P,Q\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{P},\mathrm{Q}가 한 직선 위에 있으므로 3c3,  c95\displaystyle -3\leq c\leq3,\;c\ne-\frac95이다.

+6점 · 역으로 원 x2+y2=9\displaystyle x^2+y^2=9 위의 한 점 R(c,d)\displaystyle \mathrm{R}(c,d) (단, 3c3,  c95\displaystyle -3\leq c\leq3,\;c\ne-\frac95)에서의 접선이 원 x2+y2=18\displaystyle x^2+y^2=18과 만나는 두 점을 각각 P,Q\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q}라 하면 점 P,Q\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q}는 제시문 (ㄷ)의 조건을 모두 만족시킨다.

역으로 원 x2+y2=9\displaystyle x^2+y^2=9 위의 한 점 R(c,d)\displaystyle \mathrm{R}(c,d) (단, 3c3,  c95\displaystyle -3\leq c\leq3,\;c\ne-\frac95)에서의 접선이 원 x2+y2=18\displaystyle x^2+y^2=18과 만나는 두 점을 각각 P,Q\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q}라 하면 점 P,Q\displaystyle \mathrm{P},\mathrm{Q}는 제시문 (ㄷ)의 조건을 모두 만족시킨다.

+6점 · 삼각형 APQ\displaystyle \mathrm{APQ}의 넓이는 12×PQ×5c+9c2+d2=5c+9\displaystyle \frac12\times\overline{\mathrm{PQ}}\times\frac{|5c+9|}{\sqrt{c^2+d^2}}=|5c+9|이므로 3c3,  c95\displaystyle -3\leq c\leq3,\;c\ne-\frac95일 때 5c+9\displaystyle |5c+9|의 최댓값이 M\displaystyle M이다. 따라서 M=5×3+9=24\displaystyle M=|5\times3+9|=24이다.

삼각형 APQ\displaystyle \mathrm{APQ}의 넓이는 12×PQ×5c+9c2+d2=5c+9\displaystyle \frac12\times\overline{\mathrm{PQ}}\times\frac{|5c+9|}{\sqrt{c^2+d^2}}=|5c+9|이므로 3c3,  c95\displaystyle -3\leq c\leq3,\;c\ne-\frac95일 때 5c+9\displaystyle |5c+9|의 최댓값이 M\displaystyle M이다. 따라서 M=5×3+9=24\displaystyle M=|5\times3+9|=24이다.

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