수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프가 오른쪽 그림과 같이 원점을 지나고, x\displaystyle x축과 직선 l: y=k, (k>0)\displaystyle l:\ y=k,\ (k>0) 사이에 존재한다. 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 임의의 한 점 P(x,f(x))\displaystyle P(x,f(x))에서 직선 l\displaystyle l에 내린 수선의 발을 Q(x,k)\displaystyle Q(x,k)라 하자. 고정점 R(0,a), (0<a<k)\displaystyle R(0,a),\ (0<a<k)에 대하여 선분 PQ‾\displaystyle \overline{PQ}의 길이와 선분 PR‾\displaystyle \overline{PR}의 길이의 합이 항상 일정하다고 할 때, 다음 물음에 답하시오.

포물선 위의 점 P와 직선 위의 수선의 발 Q 및 고정점 R

(1) 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)를 구하시오. [15점]

(2) 선분 PQ‾\displaystyle \overline{PQ}의 길이와 선분 PR‾\displaystyle \overline{PR}의 길이의 곱의 최댓값을 구하시오. [15점]

(3) 삼각형 △PQR\displaystyle \triangle PQR 면적의 최댓값을 구하시오. [10점]

해설강의 준비중

(1) 주어진 조건으로부터 적당한 상수 c\displaystyle c가 존재해서 다음을 만족한다.

PR‾+PQ‾=c\displaystyle \overline{PR}+\overline{PQ}=c

점 P, Q, R\displaystyle P,\ Q,\ R의 좌표를 적용하면

c=PR‾+PQ‾=x2+(f(x)−a)2+(k−f(x))\displaystyle c=\overline{PR}+\overline{PQ}=\sqrt{x^2+(f(x)-a)^2}+(k-f(x))이 성립한다.

따라서 x2+(f(x)−a)2=(c−k+f(x))2\displaystyle x^2+(f(x)-a)^2=(c-k+f(x))^2이 성립하므로 양변을 전개하면

f(x)=x2+a2−(c−k)22(c−k+a)\displaystyle f(x)=\frac{x^2+a^2-(c-k)^2}{2(c-k+a)}을 얻는다.

또한, 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프가 원점을 지나므로 상수 c\displaystyle c는 다음을 만족한다.

c=PR‾+PQ‾=a+k\displaystyle c=\overline{PR}+\overline{PQ}=a+k

따라서 함수 y=f(x)=x24a\displaystyle y=f(x)=\frac{x^2}{4a}이 된다.

한편, 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 x\displaystyle x축과 직선 y=k\displaystyle y=k 사이에 존재하므로 x24a≤k\displaystyle \frac{x^2}{4a}\le k를 만족해야 한다.

따라서 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 정의구역은 −2ak≤x≤2ak\displaystyle -2\sqrt{ak}\le x\le2\sqrt{ak}가 된다.

(2) 점 P\displaystyle P의 좌표가 (x,x24a), (−2ak≤x≤2ak)\displaystyle (x,\frac{x^2}{4a}),\ (-2\sqrt{ak}\le x\le2\sqrt{ak})이므로 PQ‾=k−x24a\displaystyle \overline{PQ}=k-\frac{x^2}{4a}이 된다.

한편, PQ‾+PR‾=a+k\displaystyle \overline{PQ}+\overline{PR}=a+k로 일정하므로 PR‾=a+x24a\displaystyle \overline{PR}=a+\frac{x^2}{4a}이 된다.

따라서 L=PQ‾⋅PR‾=(a+x24a)(k−x24a)\displaystyle L=\overline{PQ}\cdot\overline{PR}=(a+\frac{x^2}{4a})(k-\frac{x^2}{4a})이라 하면,

0=L′=x2a(k−x24a)−x2a(a+x24a)=x2a(k−a−x22a)\displaystyle 0=L^{\prime}=\frac{x}{2a}(k-\frac{x^2}{4a})-\frac{x}{2a}(a+\frac{x^2}{4a})=\frac{x}{2a}(k-a-\frac{x^2}{2a})이므로,

L\displaystyle L은 x=0, ±2a(k−a)\displaystyle x=0,\ \pm\sqrt{2a(k-a)}에서 극값 L=ak, (a+k)2/4\displaystyle L=ak,\ (a+k)^2/4를 갖는다.

한편, 양 끝점 x=±2ak\displaystyle x=\pm2\sqrt{ak}에서 L=0\displaystyle L=0이므로 L\displaystyle L의 최댓값은 L=(a+k)2/4\displaystyle L=(a+k)^2/4이다.

(3) 선분 PQ‾\displaystyle \overline{PQ}는 y\displaystyle y축과 평행이고 점 P\displaystyle P의 좌표가 (x,x24a), (−2ak≤x≤2ak)\displaystyle (x,\frac{x^2}{4a}),\ (-2\sqrt{ak}\le x\le2\sqrt{ak})이므로

삼각형 △PQR\displaystyle \triangle PQR의 면적은 S=12∣x∣(k−y)=12∣x∣(k−x24a), (−2ak≤x≤2ak)\displaystyle S=\frac12|x|(k-y)=\frac12|x|(k-\frac{x^2}{4a}),\ (-2\sqrt{ak}\le x\le2\sqrt{ak})로 주어진다.

여기서 식 S\displaystyle S는 y\displaystyle y축에 대해서 대칭이므로 0≤x≤2ak\displaystyle 0\le x\le2\sqrt{ak}에서의 S\displaystyle S의 최댓값을 구하면 충분하다.

0=S′=12(k−x24a)−x24a=k2−3x28a, x≥0\displaystyle 0=S^{\prime}=\frac12(k-\frac{x^2}{4a})-\frac{x^2}{4a}=\frac k2-\frac{3x^2}{8a},\ x\ge0이므로,

삼각형 △PQR\displaystyle \triangle PQR의 면적은 x=2ak3\displaystyle x=2\sqrt{\frac{ak}3}에서 극값 S=2k3ak3\displaystyle S=\frac{2k}3\sqrt{\frac{ak}3}를 갖고,

x=0\displaystyle x=0일 때, S=0\displaystyle S=0이다.

S\displaystyle S는 y\displaystyle y축에 대해서 대칭이므로 x=−2ak3\displaystyle x=-2\sqrt{\frac{ak}3}에서 극값 S=2k3ak3\displaystyle S=\frac{2k}3\sqrt{\frac{ak}3}를 갖는다.

양 끝점 x=±2ak\displaystyle x=\pm2\sqrt{ak}일 때, S=0\displaystyle S=0이므로 삼각형 △PQR\displaystyle \triangle PQR 면적의 최댓값은 S=2k3ak3\displaystyle S=\frac{2k}3\sqrt{\frac{ak}3}이다.

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