수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 2번

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문제

[문제 2] 좌표평면 위의 점 (x,y)\displaystyle (x,y)가 부등식 x24+y2≤1\displaystyle \frac{x^2}4+y^2\le1을 만족할 때 다음 물음에 답하시오.

(1) 주어진 부등식을 만족하는 모든 점 (x,y)\displaystyle (x,y)가 x+y=3\displaystyle x+y=3을 만족하지 않음을 보이시오. [7점]

(2) 주어진 부등식을 만족하는 점 (x,y)\displaystyle (x,y) 중 (x−y−5)+m(x+y−3)=0\displaystyle (x-y-5)+m(x+y-3)=0을 만족하는 점이 존재하도록 실수 m\displaystyle m의 범위를 정하시오. [13점]

(3) 주어진 부등식을 만족하는 점 (x,y)\displaystyle (x,y)에 대하여 x−y−5x+y−3\displaystyle \frac{x-y-5}{x+y-3}의 최댓값과 최솟값을 구하시오. [10점]

해설강의 준비중

(1) 직선 x+y−3=0\displaystyle x+y-3=0이 타원 x24+y2=1\displaystyle \frac{x^2}4+y^2=1과 만나지 않음을 보이는 것과 같은 문제이다.기울기가 −1\displaystyle -1인 직선이 타원 x24+y2=1\displaystyle \frac{x^2}4+y^2=1 접하는 것은 y=−x±4(−1)2+1=−x±5\displaystyle y=-x\pm\sqrt{4(-1)^2+1}=-x\pm\sqrt5이며 3>5\displaystyle 3>\sqrt5이므로 직선 x+y−3=0\displaystyle x+y-3=0은 타원 x24+y2=1\displaystyle \frac{x^2}4+y^2=1과 만나지 않는다.

(2) 실수 m\displaystyle m에 대하여 (x−y−5)+m(x+y−3)=0\displaystyle (x-y-5)+m(x+y-3)=0을 만족하는 점들은 점 (4,−1)\displaystyle (4,-1)을 지나고 기울기 −m+1m−1\displaystyle -\frac{m+1}{m-1}인 직선을 나타낸다. 타원 x24+y2=1\displaystyle \frac{x^2}4+y^2=1 밖의 점 (4,−1)\displaystyle (4,-1)을 지나는 기울기 a\displaystyle a인 직선 y=a(x−4)−1\displaystyle y=a(x-4)-1이 타원을 지나려면 ∣−4a−1∣≤4a2+1\displaystyle |-4a-1|\le\sqrt{4a^2+1}을 만족하여야 하므로, −23≤a≤0\displaystyle -\frac23\le a\le0이다. 따라서 구하려는 실수 m\displaystyle m은 −23≤−m+1m−1≤0\displaystyle -\frac23\le-\frac{m+1}{m-1}\le0를 만족하고 −5≤m≤−1\displaystyle -5\le m\le-1이다.

(3) 주어진 식의 값을 a\displaystyle a이라고 두면 x−y−5x+y−3=a\displaystyle \frac{x-y-5}{x+y-3}=a이므로 실수 a\displaystyle a의 범위는 문제 (2)를 만족하는 −m\displaystyle -m의 범위와 같다. 따라서 최댓값은 5이며 최솟값은 1이다.

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