세 양의 상수 a, y1, y2에 대하여 좌표평면 위에 세 점 A1(−a,y1), A2(a,y2), B(−2a,0)과 x축 위를 움직이는 점 P(x,0)가 있다.
(가)집합 {x∣x>a}에서 정의된 두 함수 θ1(x), θ2(x)는θ1(x)=∠A1PB,θ2(x)=∠A2PB이다. 이때 x→∞limθ1(x)=x→∞limθ2(x)=0이고, x→∞limθ1(x)θ2(x)의 값이 존재한다.
(나)실수 전체의 집합에서 정의된 함수 f(x)는 다음과 같다.f(x)=A1P2+A2P2A1P2−A2P2
[문제 3-1] 제시문 (가)를 이용하여, x→∞limθ1(x)θ2(x)의 값을 두 상수 y1, y2에 대한 식으로 나타내시오. [12점]
[문제 3-2] y1=y2=1일 때, 상수 k에 대하여 ∫0OA1f(x)dx=ka임을 보이고, k의 값을 구하시오. (단, O는 원점이다.) [13점]
[문제 3-3] y1=y2=b(b>0)일 때, 함수 f(x)가 최소가 되도록 하는 점 P를 P0라 하자. 점 B와 점 P0가 일치할 때, ab의 값을 구하시오. [15점]
해설강의 준비중
덕성여대 2027학년도 모의 자연계열 II 3번 · mathesis.kr/archive/duksung/2027mo/jayeon2_3
[문제 3-1]x→∞일 때, x>a이므로, 점 A1(−a,y1), A2(a,y2)에서 x축에 내린 수선의 발을 각각 B1(−a,0), B2(a,0)라 하면, 직각삼각형 A1B1P, A2B2P에서tanθ1(x)=B1PA1B1=x+ay1,tanθ2(x)=B2PA2B2=x−ay2.(혹은, sinθ1(x)=A1PA1B1=(x+a)2+y12y1,sinθ2(x)=A2PA2B2=(x−a)2+y22y2.) (1)
[문제 3-2]함수 f(x)의 정의와 주어진 점들의 좌표들로부터 다음을 얻는다.f(x)=A1P2+A2P2A1P2−A2P2={(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}=x2+a2+12ax,OA1=(−a)2+12=a2+1.따라서 주어진 적분은∫0OA1f(x)dx=∫0a2+1x2+a2+12axdx. (5)
u=x2+a2+1,du=2xdx로 치환하면∫0a2+1x2+a2+12axdx=∫a2+12(a2+1)uadu=a[lnu]a2+12(a2+1)=a[ln{2(a2+1)}−ln(a2+1)]. (6)따라서 로그의 성질을 이용하면∫0OA1f(x)dx=a{ln2+ln(a2+1)−ln(a2+1)}=aln2이므로 k=ln2이다. (7)
[문제 3-3]함수 f(x)의 정의와 주어진 점들의 좌표들로부터 다음을 얻는다.f(x)=A1P2+A2P2A1P2−A2P2={(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}=x2+a2+b22ax. (8)
f(x)의 도함수 f′(x)가f′(x)=(x2+a2+b22ax)′=(x2+a2+b2)22a(x2+a2+b2)−2ax⋅2x=−(x2+a2+b2)22a{x2−(a2+b2)}=−(x2+a2+b2)22a(x+a2+b2)(x−a2+b2)이므로, (9)함수 f(x)는 x=−a2+b2에서 극소, x=a2+b2에 극대,x≤−a2+b2일 때 감소, −a2+b2≤x≤a2+b2일 때 증가, a2+b2≤x일 때 감소이다. (10)
또한 x→±∞limf(x)=x→±∞limx2+a2+b22ax=0이므로,함수 f(x)는 x=−a2+b2에서 최소, x=a2+b2에 최대가 된다. (11)
따라서 점 P0의 좌표는 (−a2+b2,0)이고,점 B가 점 P0와 일치할 때−2a=−a2+b2이다.양변을 제곱하면 4a2=a2+b2이므로 3a2=b2, 즉 a2b2=3.a, b는 양수이므로 ab=3. (12)