(1) 주어진 조건으로부터 적당한 상수 c \displaystyle c c 가 존재해서 다음을 만족한다.
P R ‾ + P Q ‾ = c \displaystyle \overline{PR}+\overline{PQ}=c P R + P Q = c
점 P , Q , R \displaystyle P,\ Q,\ R P , Q , R 의 좌표를 적용하면
c = P R ‾ + P Q ‾ = x 2 + ( f ( x ) − a ) 2 + ( k − f ( x ) ) \displaystyle c=\overline{PR}+\overline{PQ}=\sqrt{x^2+(f(x)-a)^2}+(k-f(x)) c = P R + P Q = x 2 + ( f ( x ) − a ) 2 + ( k − f ( x )) 이 성립한다.
따라서 x 2 + ( f ( x ) − a ) 2 = ( c − k + f ( x ) ) 2 \displaystyle x^2+(f(x)-a)^2=(c-k+f(x))^2 x 2 + ( f ( x ) − a ) 2 = ( c − k + f ( x ) ) 2 이 성립하므로 양변을 전개하면
f ( x ) = x 2 + a 2 − ( c − k ) 2 2 ( c − k + a ) \displaystyle f(x)=\frac{x^2+a^2-(c-k)^2}{2(c-k+a)} f ( x ) = 2 ( c − k + a ) x 2 + a 2 − ( c − k ) 2 을 얻는다.
또한, 함수 y = f ( x ) \displaystyle y=f(x) y = f ( x ) 의 그래프가 원점을 지나므로 상수 c \displaystyle c c 는 다음을 만족한다.
c = P R ‾ + P Q ‾ = a + k \displaystyle c=\overline{PR}+\overline{PQ}=a+k c = P R + P Q = a + k
따라서 함수 y = f ( x ) = x 2 4 a \displaystyle y=f(x)=\frac{x^2}{4a} y = f ( x ) = 4 a x 2 이 된다.
한편, 함수 y = f ( x ) \displaystyle y=f(x) y = f ( x ) 는 x \displaystyle x x 축과 직선 y = k \displaystyle y=k y = k 사이에 존재하므로 x 2 4 a ≤ k \displaystyle \frac{x^2}{4a}\le k 4 a x 2 ≤ k 를 만족해야 한다.
따라서 함수 y = f ( x ) \displaystyle y=f(x) y = f ( x ) 의 정의구역은 − 2 a k ≤ x ≤ 2 a k \displaystyle -2\sqrt{ak}\le x\le2\sqrt{ak} − 2 ak ≤ x ≤ 2 ak 가 된다.
(2) 점 P \displaystyle P P 의 좌표가 ( x , x 2 4 a ) , ( − 2 a k ≤ x ≤ 2 a k ) \displaystyle (x,\frac{x^2}{4a}),\ (-2\sqrt{ak}\le x\le2\sqrt{ak}) ( x , 4 a x 2 ) , ( − 2 ak ≤ x ≤ 2 ak ) 이므로 P Q ‾ = k − x 2 4 a \displaystyle \overline{PQ}=k-\frac{x^2}{4a} P Q = k − 4 a x 2 이 된다.
한편, P Q ‾ + P R ‾ = a + k \displaystyle \overline{PQ}+\overline{PR}=a+k P Q + P R = a + k 로 일정하므로 P R ‾ = a + x 2 4 a \displaystyle \overline{PR}=a+\frac{x^2}{4a} P R = a + 4 a x 2 이 된다.
따라서 L = P Q ‾ ⋅ P R ‾ = ( a + x 2 4 a ) ( k − x 2 4 a ) \displaystyle L=\overline{PQ}\cdot\overline{PR}=(a+\frac{x^2}{4a})(k-\frac{x^2}{4a}) L = P Q ⋅ P R = ( a + 4 a x 2 ) ( k − 4 a x 2 ) 이라 하면,
0 = L ′ = x 2 a ( k − x 2 4 a ) − x 2 a ( a + x 2 4 a ) = x 2 a ( k − a − x 2 2 a ) \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}) 0 = L ′ = 2 a x ( k − 4 a x 2 ) − 2 a x ( a + 4 a x 2 ) = 2 a x ( k − a − 2 a x 2 ) 이므로,
L \displaystyle L L 은 x = 0 , ± 2 a ( k − a ) \displaystyle x=0,\ \pm\sqrt{2a(k-a)} x = 0 , ± 2 a ( k − a ) 에서 극값 L = a k , ( a + k ) 2 / 4 \displaystyle L=ak,\ (a+k)^2/4 L = ak , ( a + k ) 2 /4 를 갖는다.
한편, 양 끝점 x = ± 2 a k \displaystyle x=\pm2\sqrt{ak} x = ± 2 ak 에서 L = 0 \displaystyle L=0 L = 0 이므로 L \displaystyle L L 의 최댓값은 L = ( a + k ) 2 / 4 \displaystyle L=(a+k)^2/4 L = ( a + k ) 2 /4 이다.
(3) 선분 P Q ‾ \displaystyle \overline{PQ} P Q 는 y \displaystyle y y 축과 평행이고 점 P \displaystyle P P 의 좌표가 ( x , x 2 4 a ) , ( − 2 a k ≤ x ≤ 2 a k ) \displaystyle (x,\frac{x^2}{4a}),\ (-2\sqrt{ak}\le x\le2\sqrt{ak}) ( x , 4 a x 2 ) , ( − 2 ak ≤ x ≤ 2 ak ) 이므로
삼각형 △ P Q R \displaystyle \triangle PQR △ P QR 의 면적은 S = 1 2 ∣ x ∣ ( k − y ) = 1 2 ∣ x ∣ ( k − x 2 4 a ) , ( − 2 a k ≤ x ≤ 2 a k ) \displaystyle S=\frac12|x|(k-y)=\frac12|x|(k-\frac{x^2}{4a}),\ (-2\sqrt{ak}\le x\le2\sqrt{ak}) S = 2 1 ∣ x ∣ ( k − y ) = 2 1 ∣ x ∣ ( k − 4 a x 2 ) , ( − 2 ak ≤ x ≤ 2 ak ) 로 주어진다.
여기서 식 S \displaystyle S S 는 y \displaystyle y y 축에 대해서 대칭이므로 0 ≤ x ≤ 2 a k \displaystyle 0\le x\le2\sqrt{ak} 0 ≤ x ≤ 2 ak 에서의 S \displaystyle S S 의 최댓값을 구하면 충분하다.
0 = S ′ = 1 2 ( k − x 2 4 a ) − x 2 4 a = k 2 − 3 x 2 8 a , x ≥ 0 \displaystyle 0=S^{\prime}=\frac12(k-\frac{x^2}{4a})-\frac{x^2}{4a}=\frac k2-\frac{3x^2}{8a},\ x\ge0 0 = S ′ = 2 1 ( k − 4 a x 2 ) − 4 a x 2 = 2 k − 8 a 3 x 2 , x ≥ 0 이므로,
삼각형 △ P Q R \displaystyle \triangle PQR △ P QR 의 면적은 x = 2 a k 3 \displaystyle x=2\sqrt{\frac{ak}3} x = 2 3 ak 에서 극값 S = 2 k 3 a k 3 \displaystyle S=\frac{2k}3\sqrt{\frac{ak}3} S = 3 2 k 3 ak 를 갖고,
x = 0 \displaystyle x=0 x = 0 일 때, S = 0 \displaystyle S=0 S = 0 이다.
S \displaystyle S S 는 y \displaystyle y y 축에 대해서 대칭이므로 x = − 2 a k 3 \displaystyle x=-2\sqrt{\frac{ak}3} x = − 2 3 ak 에서 극값 S = 2 k 3 a k 3 \displaystyle S=\frac{2k}3\sqrt{\frac{ak}3} S = 3 2 k 3 ak 를 갖는다.
양 끝점 x = ± 2 a k \displaystyle x=\pm2\sqrt{ak} x = ± 2 ak 일 때, S = 0 \displaystyle S=0 S = 0 이므로 삼각형 △ P Q R \displaystyle \triangle PQR △ P QR 면적의 최댓값은 S = 2 k 3 a k 3 \displaystyle S=\frac{2k}3\sqrt{\frac{ak}3} S = 3 2 k 3 ak 이다.