수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 1번

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문제

[문제 1] 다음 주어진 각각의 도형 S\displaystyle S에 대해 도형 S\displaystyle S 밖의 점 P\displaystyle P에서 그은 두 접선이 서로 수직할 때, 점 P\displaystyle P의 자취를 나타내는 방정식을 구하시오.

(1) S: y=ax2 (a≠0)\displaystyle S:\ y=ax^2\ (a\ne0) [8점]

(2) S: x2a2+y2b2=1 (a,b>0)\displaystyle S:\ \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1\ (a,b>0) [10점]

(3) S: x2a2−y2b2=1 (a,b>0)\displaystyle S:\ \frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1\ (a,b>0) [12점]

해설강의 준비중

(1) 포물선 밖의 점 P\displaystyle P를 (X,Y)\displaystyle (X,Y)라고 할 때, 점 P\displaystyle P를 지나는 기울기 m\displaystyle m인 직선의 방정식은 y=m(x−X)+Y\displaystyle y=m(x-X)+Y로 쓸 수 있다. 이때 기울기 m\displaystyle m으로 주어진 포물선의 접선의 방정식은 y=mx−m24a\displaystyle y=mx-\frac{m^2}{4a}으로 구해지므로 Y=mX−m24a\displaystyle Y=mX-\frac{m^2}{4a}이다. 이제 m\displaystyle m에 관하여 정리하면 14am2−Xm+Y=0\displaystyle \frac1{4a}m^2-Xm+Y=0 로 주어지며, 두 접선이 수직하므로 이차방정식의 근과 계수의 관계에 의해 4aY=−1 (a≠0)\displaystyle 4aY=-1\ (a\ne0)이다. 수직한 두 접선을 가지는 포물선 밖의 점들의 자취는 직선의 방정식 Y=−14a (a≠0)\displaystyle Y=-\frac1{4a}\ (a\ne0)을 만족한다.

(2) 타원 밖의 점 P\displaystyle P를 (X,Y)\displaystyle (X,Y)라고 할 때, 점 P\displaystyle P를 지나는 기울기 m\displaystyle m인 직선의 방정식은 y=m(x−X)+Y\displaystyle y=m(x-X)+Y로 쓸 수 있다. 이때 기울기 m\displaystyle m으로 주어진 타원의 접선의 방정식은 y=mx±a2m2+b2\displaystyle y=mx\pm\sqrt{a^2m^2+b^2}으로 구해지므로 −mX+Y=±a2m2+b2\displaystyle -mX+Y=\pm\sqrt{a^2m^2+b^2}이다. 양변을 제곱하여 m\displaystyle m에 관하여 정리하면 (X2−a2)m2−2XYm+(Y2−b2)=0\displaystyle (X^2-a^2)m^2-2XYm+(Y^2-b^2)=0 으로 주어지며, 두 접선이 수직하므로 이차방정식의 근과 계수의 관계에 의해 Y2−b2X2−a2=−1 (X≠±a)\displaystyle \frac{Y^2-b^2}{X^2-a^2}=-1\ (X\ne\pm a)이다. 따라서 네 점 (±a,±b)\displaystyle (\pm a,\pm b)을 제외한 원 X2+Y2=a2+b2\displaystyle X^2+Y^2=a^2+b^2위의 점 P\displaystyle P에서 서로 수직한 두 접선을 그을 수 있다. 이때 네 점 (±a,±b)\displaystyle (\pm a,\pm b)에서도 수직한 두 접선을 그을 수 있으므로, 수직한 두 접선을 가지는 타원 밖의 점들의 자취는 원의 방정식 X2+Y2=a2+b2\displaystyle X^2+Y^2=a^2+b^2을 만족한다.

(3) 쌍곡선 밖의 점 P\displaystyle P를 (X,Y)\displaystyle (X,Y)라고 할 때, 점 P\displaystyle P를 지나는 기울기 m\displaystyle m인 직선의 방정식은 y=m(x−X)+Y\displaystyle y=m(x-X)+Y로 쓸 수 있다. 이때 기울기 m\displaystyle m으로 주어진 쌍곡선의 접선의 방정식은 y=mx±a2m2−b2\displaystyle y=mx\pm\sqrt{a^2m^2-b^2}으로 구해지므로 −mX+Y=±a2m2−b2\displaystyle -mX+Y=\pm\sqrt{a^2m^2-b^2}이다. 양변을 제곱하여 m\displaystyle m에 관하여 정리하면 (X2−a2)m2−2XYm+(Y2+b2)=0\displaystyle (X^2-a^2)m^2-2XYm+(Y^2+b^2)=0 으로 주어지며, 두 접선이 수직하므로 이차방정식의 근과 계수의 관계에 의해 Y2+b2X2−a2=−1 (X≠±a)\displaystyle \frac{Y^2+b^2}{X^2-a^2}=-1\ (X\ne\pm a) ⋯\displaystyle \cdots (식1)이다. 따라서 수직한 두 접선을 그을 수 있는 쌍곡선 밖의 점 P\displaystyle P는 X2+Y2=a2−b2\displaystyle X^2+Y^2=a^2-b^2 를 만족한다. 이때 두 직선 X=±a\displaystyle X=\pm a과 (식1)은 공통의 해를 갖지 않는다.

(i) a>b>0\displaystyle a>b>0인 경우, 쌍곡선의 두 점근선과 원 X2+Y2=a2−b2\displaystyle X^2+Y^2=a^2-b^2의 교점인 네 점 (±aa2−b2a2+b2,±ba2−b2a2+b2)\displaystyle \left(\pm\frac{a\sqrt{a^2-b^2}}{\sqrt{a^2+b^2}},\pm\frac{b\sqrt{a^2-b^2}}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)에서는 수직한 두 접선을 그을 수 없으므로 이들 네 점 을 제외한 원 X2+Y2=a2−b2\displaystyle X^2+Y^2=a^2-b^2 위의 점 P\displaystyle P에서 서로 수직한 두 접선을 그을 수 있다. 따라서 수직한 두 접선을 가지는 쌍곡선 밖의 점들의 자취는 원의 방정식 X2+Y2=a2−b2 (a>b>0)\displaystyle X^2+Y^2=a^2-b^2\ (a>b>0)을 만족하는 점 중 네 점 (±aa2−b2a2+b2,±ba2−b2a2+b2)\displaystyle \left(\pm\frac{a\sqrt{a^2-b^2}}{\sqrt{a^2+b^2}},\pm\frac{b\sqrt{a^2-b^2}}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)을 제외한 점들이다.

(ii) 0<a≤b\displaystyle 0<a\le b 인 경우, (식1)을 만족하는 경우는 a=b\displaystyle a=b이고 (X,Y)=(0,0)\displaystyle (X,Y)=(0,0)일 때뿐이다. 하지만 원점 (0,0)\displaystyle (0,0)에서는 쌍곡선에 접선을 그을 수 없다. 따라서 이 경우 수직한 두 접선을 가지는 쌍곡선 밖의 점들의 자취는 공집합이다.

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