수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 3번

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문제

세 양의 상수 a\displaystyle a, y1\displaystyle y_1, y2\displaystyle y_2에 대하여 좌표평면 위에 세 점 A1(−a, y1)\displaystyle \mathrm{A}_1(-a,\ y_1), A2(a, y2)\displaystyle \mathrm{A}_2(a,\ y_2), B(−2a, 0)\displaystyle \mathrm{B}(-2a,\ 0)과 x\displaystyle x축 위를 움직이는 점 P(x, 0)\displaystyle \mathrm{P}(x,\ 0)가 있다.

(가) 집합 {x∣x>a}\displaystyle \{x\mid x>a\}에서 정의된 두 함수 θ1(x)\displaystyle \theta_1(x), θ2(x)\displaystyle \theta_2(x)는θ1(x)=∠A1PB, θ2(x)=∠A2PB\displaystyle \theta_1(x)=\angle\mathrm{A}_1\mathrm{PB},\ \theta_2(x)=\angle\mathrm{A}_2\mathrm{PB}이다. 이때 lim⁡x→∞θ1(x)=lim⁡x→∞θ2(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\theta_1(x)=\lim_{x\to\infty}\theta_2(x)=0이고, lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}의 값이 존재한다.

(나) 실수 전체의 집합에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 다음과 같다.f(x)=A1P‾2−A2P‾2A1P‾2+A2P‾2\displaystyle f(x)=\frac{\overline{\mathrm{A}_1\mathrm{P}}^2-\overline{\mathrm{A}_2\mathrm{P}}^2}{\overline{\mathrm{A}_1\mathrm{P}}^2+\overline{\mathrm{A}_2\mathrm{P}}^2}

좌표평면 위의 A₁, A₂, B, P와 각 θ₁(x), θ₂(x)

[문제 3-1] 제시문 (가)를 이용하여, lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}의 값을 두 상수 y1\displaystyle y_1, y2\displaystyle y_2에 대한 식으로 나타내시오. [12점]

[문제 3-2] y1=y2=1\displaystyle y_1=y_2=1일 때, 상수 k\displaystyle k에 대하여 ∫0OA1‾f(x) dx=ka\displaystyle \int_0^{\overline{\mathrm{OA}_1}}f(x)\,dx=ka임을 보이고, k\displaystyle k의 값을 구하시오. (단, O\displaystyle \mathrm{O}는 원점이다.) [13점]

[문제 3-3] y1=y2=b(b>0)\displaystyle y_1=y_2=b(b>0)일 때, 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 최소가 되도록 하는 점 P\displaystyle \mathrm{P}를 P0\displaystyle \mathrm{P}_0라 하자. 점 B\displaystyle \mathrm{B}와 점 P0\displaystyle \mathrm{P}_0가 일치할 때, ba\displaystyle \frac{b}{a}의 값을 구하시오. [15점]

해설강의 준비중

[문제 3-1]x→∞\displaystyle x\to\infty일 때, x>a\displaystyle x>a이므로, 점 A1(−a, y1)\displaystyle \mathrm{A}_1(-a,\ y_1), A2(a, y2)\displaystyle \mathrm{A}_2(a,\ y_2)에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 각각 B1(−a, 0)\displaystyle \mathrm{B}_1(-a,\ 0), B2(a, 0)\displaystyle \mathrm{B}_2(a,\ 0)라 하면, 직각삼각형 A1B1P\displaystyle \mathrm{A}_1\mathrm{B}_1\mathrm{P}, A2B2P\displaystyle \mathrm{A}_2\mathrm{B}_2\mathrm{P}에서tan⁡θ1(x)=A1B1‾B1P‾=y1x+a, tan⁡θ2(x)=A2B2‾B2P‾=y2x−a.\displaystyle \tan\theta_1(x)=\frac{\overline{\mathrm{A}_1\mathrm{B}_1}}{\overline{\mathrm{B}_1\mathrm{P}}}=\frac{y_1}{x+a},\ \tan\theta_2(x)=\frac{\overline{\mathrm{A}_2\mathrm{B}_2}}{\overline{\mathrm{B}_2\mathrm{P}}}=\frac{y_2}{x-a}.(혹은, sin⁡θ1(x)=A1B1‾A1P‾=y1(x+a)2+y12, sin⁡θ2(x)=A2B2‾A2P‾=y2(x−a)2+y22.\displaystyle \sin\theta_1(x)=\frac{\overline{\mathrm{A}_1\mathrm{B}_1}}{\overline{\mathrm{A}_1\mathrm{P}}}=\frac{y_1}{\sqrt{(x+a)^2+y_1^2}},\ \sin\theta_2(x)=\frac{\overline{\mathrm{A}_2\mathrm{B}_2}}{\overline{\mathrm{A}_2\mathrm{P}}}=\frac{y_2}{\sqrt{(x-a)^2+y_2^2}}.) (1)

lim⁡x→∞θ1(x)=lim⁡x→∞θ2(x)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\theta_1(x)=\lim_{x\to\infty}\theta_2(x)=0이고 극한 lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}가 존재하므로,lim⁡θ→0+tan⁡θθ=1\displaystyle \lim_{\theta\to0+}\frac{\tan\theta}{\theta}=1 (혹은 lim⁡θ→0+sin⁡θθ=1\displaystyle \lim_{\theta\to0+}\frac{\sin\theta}{\theta}=1)을 이용하면lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)=lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)⋅lim⁡x→∞tan⁡θ2(x)θ2(x)lim⁡x→∞tan⁡θ1(x)θ1(x)=lim⁡x→∞tan⁡θ2(x)tan⁡θ1(x).\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}=\lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}\cdot\frac{\lim_{x\to\infty}\frac{\tan\theta_2(x)}{\theta_2(x)}}{\lim_{x\to\infty}\frac{\tan\theta_1(x)}{\theta_1(x)}}=\lim_{x\to\infty}\frac{\tan\theta_2(x)}{\tan\theta_1(x)}.(혹은, lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)=lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)⋅lim⁡x→∞sin⁡θ2(x)θ2(x)lim⁡x→∞sin⁡θ1(x)θ1(x)=lim⁡x→∞sin⁡θ2(x)sin⁡θ1(x).\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}=\lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}\cdot\frac{\lim_{x\to\infty}\frac{\sin\theta_2(x)}{\theta_2(x)}}{\lim_{x\to\infty}\frac{\sin\theta_1(x)}{\theta_1(x)}}=\lim_{x\to\infty}\frac{\sin\theta_2(x)}{\sin\theta_1(x)}.) (2)

(1), (2)를 이용하여lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)=lim⁡x→∞tan⁡θ2(x)tan⁡θ1(x)=lim⁡x→∞y2x−ay1x+a.\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}=\lim_{x\to\infty}\frac{\tan\theta_2(x)}{\tan\theta_1(x)}=\lim_{x\to\infty}\frac{\frac{y_2}{x-a}}{\frac{y_1}{x+a}}.(혹은, lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)=lim⁡x→∞sin⁡θ2(x)sin⁡θ1(x)=lim⁡x→∞y2(x−a)2+y22y1(x+a)2+y12.\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}=\lim_{x\to\infty}\frac{\sin\theta_2(x)}{\sin\theta_1(x)}=\lim_{x\to\infty}\frac{\frac{y_2}{\sqrt{(x-a)^2+y_2^2}}}{\frac{y_1}{\sqrt{(x+a)^2+y_1^2}}}.) (3)

(3)을 이용하여lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)=lim⁡x→∞y2x−ay1x+a=y2y1.\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}=\lim_{x\to\infty}\frac{\frac{y_2}{x-a}}{\frac{y_1}{x+a}}=\frac{y_2}{y_1}.(혹은, lim⁡x→∞θ2(x)θ1(x)=lim⁡x→∞y2(x−a)2+y22y1(x+a)2+y12=y2y1.\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\theta_2(x)}{\theta_1(x)}=\lim_{x\to\infty}\frac{\frac{y_2}{\sqrt{(x-a)^2+y_2^2}}}{\frac{y_1}{\sqrt{(x+a)^2+y_1^2}}}=\frac{y_2}{y_1}.) (4)

[문제 3-2]함수 f(x)\displaystyle f(x)의 정의와 주어진 점들의 좌표들로부터 다음을 얻는다.f(x)=A1P‾2−A2P‾2A1P‾2+A2P‾2={(x+a)2+12}2−{(x−a)2+12}2{(x+a)2+12}2+{(x−a)2+12}2={(x+a)2+12}−{(x−a)2+12}{(x+a)2+12}+{(x−a)2+12}=2axx2+a2+1,\displaystyle \begin{aligned}f(x)&=\frac{\overline{\mathrm{A}_1\mathrm{P}}^2-\overline{\mathrm{A}_2\mathrm{P}}^2}{\overline{\mathrm{A}_1\mathrm{P}}^2+\overline{\mathrm{A}_2\mathrm{P}}^2}=\frac{\{\sqrt{(x+a)^2+1^2}\}^2-\{\sqrt{(x-a)^2+1^2}\}^2}{\{\sqrt{(x+a)^2+1^2}\}^2+\{\sqrt{(x-a)^2+1^2}\}^2}\\&=\frac{\{(x+a)^2+1^2\}-\{(x-a)^2+1^2\}}{\{(x+a)^2+1^2\}+\{(x-a)^2+1^2\}}=\frac{2ax}{x^2+a^2+1},\end{aligned}OA1‾=(−a)2+12=a2+1.\displaystyle \overline{\mathrm{OA}_1}=\sqrt{(-a)^2+1^2}=\sqrt{a^2+1}.따라서 주어진 적분은∫0OA1‾f(x) dx=∫0a2+12axx2+a2+1 dx.\displaystyle \int_0^{\overline{\mathrm{OA}_1}}f(x)\,dx=\int_0^{\sqrt{a^2+1}}\frac{2ax}{x^2+a^2+1}\,dx. (5)

u=x2+a2+1, du=2x dx\displaystyle u=x^2+a^2+1,\ du=2x\,dx로 치환하면∫0a2+12axx2+a2+1 dx=∫a2+12(a2+1)a duu=a[ln⁡u]a2+12(a2+1)=a[ln⁡{2(a2+1)}−ln⁡(a2+1)].\displaystyle \begin{aligned}\int_0^{\sqrt{a^2+1}}\frac{2ax}{x^2+a^2+1}\,dx&=\int_{a^2+1}^{2(a^2+1)}\frac{a\,du}{u}=a\Biggl[\ln u\Biggr]_{a^2+1}^{2(a^2+1)}\\&=a[\ln\{2(a^2+1)\}-\ln(a^2+1)].\end{aligned} (6)따라서 로그의 성질을 이용하면∫0OA1‾f(x) dx=a{ln⁡2+ln⁡(a2+1)−ln⁡(a2+1)}=aln⁡2\displaystyle \int_0^{\overline{\mathrm{OA}_1}}f(x)\,dx=a\{\ln2+\ln(a^2+1)-\ln(a^2+1)\}=a\ln2이므로 k=ln⁡2\displaystyle k=\ln2이다. (7)

[문제 3-3]함수 f(x)\displaystyle f(x)의 정의와 주어진 점들의 좌표들로부터 다음을 얻는다.f(x)=A1P‾2−A2P‾2A1P‾2+A2P‾2={(x+a)2+b2}2−{(x−a)2+b2}2{(x+a)2+b2}2+{(x−a)2+b2}2={(x+a)2+b2}−{(x−a)2+b2}{(x+a)2+b2}+{(x−a)2+b2}=2axx2+a2+b2.\displaystyle \begin{aligned}f(x)&=\frac{\overline{\mathrm{A}_1\mathrm{P}}^2-\overline{\mathrm{A}_2\mathrm{P}}^2}{\overline{\mathrm{A}_1\mathrm{P}}^2+\overline{\mathrm{A}_2\mathrm{P}}^2}=\frac{\{\sqrt{(x+a)^2+b^2}\}^2-\{\sqrt{(x-a)^2+b^2}\}^2}{\{\sqrt{(x+a)^2+b^2}\}^2+\{\sqrt{(x-a)^2+b^2}\}^2}\\&=\frac{\{(x+a)^2+b^2\}-\{(x-a)^2+b^2\}}{\{(x+a)^2+b^2\}+\{(x-a)^2+b^2\}}=\frac{2ax}{x^2+a^2+b^2}.\end{aligned} (8)

f(x)\displaystyle f(x)의 도함수 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)가f′(x)=(2axx2+a2+b2)′=2a(x2+a2+b2)−2ax⋅2x(x2+a2+b2)2=−2a(x2+a2+b2)2{x2−(a2+b2)}=−2a(x2+a2+b2)2(x+a2+b2)(x−a2+b2)\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime}(x)&=\left(\frac{2ax}{x^2+a^2+b^2}\right)^{\prime}=\frac{2a(x^2+a^2+b^2)-2ax\cdot2x}{(x^2+a^2+b^2)^2}\\&=-\frac{2a}{(x^2+a^2+b^2)^2}\{x^2-(a^2+b^2)\}\\&=-\frac{2a}{(x^2+a^2+b^2)^2}(x+\sqrt{a^2+b^2})(x-\sqrt{a^2+b^2})\end{aligned}이므로, (9)함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=−a2+b2\displaystyle x=-\sqrt{a^2+b^2}에서 극소, x=a2+b2\displaystyle x=\sqrt{a^2+b^2}에 극대,x≤−a2+b2\displaystyle x\le-\sqrt{a^2+b^2}일 때 감소, −a2+b2≤x≤a2+b2\displaystyle -\sqrt{a^2+b^2}\le x\le\sqrt{a^2+b^2}일 때 증가, a2+b2≤x\displaystyle \sqrt{a^2+b^2}\le x일 때 감소이다. (10)

또한 lim⁡x→±∞f(x)=lim⁡x→±∞2axx2+a2+b2=0\displaystyle \lim_{x\to\pm\infty}f(x)=\lim_{x\to\pm\infty}\frac{2ax}{x^2+a^2+b^2}=0이므로,함수 f(x)\displaystyle f(x)는 x=−a2+b2\displaystyle x=-\sqrt{a^2+b^2}에서 최소, x=a2+b2\displaystyle x=\sqrt{a^2+b^2}에 최대가 된다. (11)

따라서 점 P0\displaystyle \mathrm{P}_0의 좌표는 (−a2+b2, 0)\displaystyle (-\sqrt{a^2+b^2},\ 0)이고,점 B\displaystyle \mathrm{B}가 점 P0\displaystyle \mathrm{P}_0와 일치할 때−2a=−a2+b2\displaystyle -2a=-\sqrt{a^2+b^2}이다.양변을 제곱하면 4a2=a2+b2\displaystyle 4a^2=a^2+b^2이므로 3a2=b2\displaystyle 3a^2=b^2, 즉 b2a2=3\displaystyle \frac{b^2}{a^2}=3.a\displaystyle a, b\displaystyle b는 양수이므로 ba=3\displaystyle \frac{b}{a}=\sqrt3. (12)

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