수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 함수 f\displaystyle f에 대하여 아래 물음에 답하시오. [35점]

실수 a\displaystyle a에 대하여, 좌표평면의 선분 {(t,t+2)∣−1≤t≤1}\displaystyle \{(t,t+2)\mid-1\le t\le1\}과 원 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 한 점에서 만나는 반지름 r\displaystyle r의 최솟값 m\displaystyle m이 있다. 이때 함숫값 f(a)\displaystyle f(a)는 m2\displaystyle m^{2}이다.

(1) 실수 a≠−2\displaystyle a\ne-2에 대하여 점 (a,0)\displaystyle (a,0)에서 직선 y=x+2\displaystyle y=x+2에 내린 수선의 발을 a\displaystyle a로 나타내시오.

(2) a<0\displaystyle a<0일 때 함수 f(a)\displaystyle f(a)를 구하시오.

(3) a≥0\displaystyle a\ge0일 때 함수 f(a)\displaystyle f(a)를 구하시오.

해설강의 준비중

(1) 실수 a≠−2\displaystyle a\ne-2에 대하여 점 (a,0)\displaystyle (a,0)에서 직선 y=x+2\displaystyle y=x+2에 내린 수선의 발을 a\displaystyle a로 나타내시오.풀이: 직선 y=x+2\displaystyle y=x+2의 기울기가 1\displaystyle 1이므로 이 직선에 수직인 직선의 기울기는 −1\displaystyle -1이다. 기울기가 −1\displaystyle -1이고 점 (a,0)\displaystyle (a,0)을 지나는 직선은 y=−(x−a)=−x+a\displaystyle y=-(x-a)=-x+a이다. 두 직선의 교점이 구하는 수선의 발이므로 답은 (a2−1,a2+1)\displaystyle \left(\frac{a}{2}-1,\frac{a}{2}+1\right)이다.

(2) a<0\displaystyle a<0일 때 함수 f(a)\displaystyle f(a)를 구하시오.풀이: 실수 a\displaystyle a에 대하여 좌표평면의 선분 {(t,t+2)∣−1≤t≤1}\displaystyle \{(t,t+2)\mid-1\le t\le1\}과 원 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 한 점에서 만나는 반지름 r\displaystyle r이 최소가 되는 경우는 원 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 주어진 선분에 접하거나 선분의 끝점 (−1,1)\displaystyle (-1,1), (1,3)\displaystyle (1,3) 중 한 점만 만나는 때이다.문항 (1)에 의해 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 선분에 접하는 때는 실수 a\displaystyle a가 −1≤a2−1≤1\displaystyle -1\le\frac{a}{2}-1\le1이므로 0≤a≤4\displaystyle 0\le a\le4이다. 따라서 a<0\displaystyle a<0일 때 조건을 만족하는 최솟값 m\displaystyle m을 반지름으로 하는 원 (x−a)2+y2=m2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=m^{2}은 선분에 접하지 않는다. a<0\displaystyle a<0일 때 원 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 선분의 끝점 (1,3)\displaystyle (1,3)을 지나면 원 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 선분과 한 점에서 만나는 반지름 r\displaystyle r 중 최댓값이 되므로, a<0\displaystyle a<0일 때 조건을 만족하는 원 (x−a)2+y2=m2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=m^{2}의 반지름 m\displaystyle m은 선분의 끝점 (−1,1)\displaystyle (-1,1)과 (a,0)\displaystyle (a,0) 사이의 거리인 (−1−a)2+12=a2+2a+2\displaystyle \sqrt{(-1-a)^{2}+1^{2}}=\sqrt{a^{2}+2a+2}이다.따라서 a<0\displaystyle a<0일 때 f(a)=a2+2a+2\displaystyle f(a)=a^{2}+2a+2이다.

(3) a≥0\displaystyle a\ge0일 때 함수 f(a)\displaystyle f(a)를 구하시오.풀이: 실수 a\displaystyle a에 대하여 좌표평면의 선분 {(t,t+2)∣−1≤t≤1}\displaystyle \{(t,t+2)\mid-1\le t\le1\}과 원 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 한 점에서 만나는 반지름 r\displaystyle r이 최소가 되는 경우는 원 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 주어진 선분에 접하거나 선분의 끝점 (−1,1)\displaystyle (-1,1), (1,3)\displaystyle (1,3) 중 한 점만 만나는 때이다.문항 (2)의 풀이 과정을 참고하면 원 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 선분에 접하는 때는 실수 a\displaystyle a가 0≤a≤4\displaystyle 0\le a\le4를 만족할 때이므로 0≤a≤4\displaystyle 0\le a\le4와 4<a\displaystyle 4<a로 구별하여 함숫값을 정한다.(ㄱ) 0≤a≤4\displaystyle 0\le a\le4일 때 구하는 반지름 m\displaystyle m은 점 (a,0)\displaystyle (a,0)과 직선 y=x+2\displaystyle y=x+2 사이의 거리인 ∣0−a−2∣1+1=∣a+2∣2\displaystyle \frac{|0-a-2|}{\sqrt{1+1}}=\frac{|a+2|}{\sqrt{2}}이고 주어진 함수는 f(a)=(a+2)22\displaystyle f(a)=\frac{(a+2)^{2}}{2}이다.(ㄴ) 4<a\displaystyle 4<a일 때 구하는 반지름 m\displaystyle m은 선분의 끝점 중 한 점을 만나는 경우에서 구해진다. 문항 (2)와 마찬가지로 4<a\displaystyle 4<a일 때 원 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 선분의 끝점 (−1,1)\displaystyle (-1,1)을 지나면 원 (x−a)2+y2=r2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=r^{2}이 선분과 한 점에서 만나는 반지름 r\displaystyle r 중 최댓값이 되므로, 조건을 만족하는 원 (x−a)2+y2=m2\displaystyle (x-a)^{2}+y^{2}=m^{2}의 반지름 m\displaystyle m은 선분의 끝점 (1,3)\displaystyle (1,3)과 (a,0)\displaystyle (a,0) 사이의 거리인 (1−a)2+32=a2−2a+10\displaystyle \sqrt{(1-a)^{2}+3^{2}}=\sqrt{a^{2}-2a+10}이다. 따라서 4<a\displaystyle 4<a일 때 f(a)=a2−2a+10\displaystyle f(a)=a^{2}-2a+10이다.따라서 a≥0\displaystyle a\ge0일 때 함수 f(a)\displaystyle f(a)는f(a)={(a+2)22(0≤a≤4)a2−2a+10(4<a)\displaystyle f(a)=\begin{cases}\dfrac{(a+2)^{2}}{2}&(0\le a\le4)\\a^{2}-2a+10&(4<a)\end{cases}이다.

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