수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 3번

오류 제보

문제

[문제 3] 좌표평면의 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1에 대하여 다음 물음에 답하시오. [30점]

(1) 중심이 y\displaystyle y축에 있고 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1과 한 점에서 만나며 직선 y=2x\displaystyle y=2x에 접하는 원의 방정식을 모두 구하시오.

(2) 문항 (1)에서 구한 원은 모두 직선 y=−2x\displaystyle y=-2x에 접함을 보이시오.

(3) 중심이 x\displaystyle x축 또는 y\displaystyle y축에 있고 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1과 한 점에서 만나며 직선 y=2x\displaystyle y=2x에 접하는 모든 원에 대하여 반지름의 길이의 최댓값과 최솟값의 합을 구하시오.

해설강의 준비중

(1) 중심이 y\displaystyle y축에 있고 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1과 한 점에서 만나며 직선 y=2x\displaystyle y=2x에 접하는 원의 방정식을 모두 구하시오.풀이: 구하는 원의 중심을 (0,a)\displaystyle (0,a)라고 두면 이 점이 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1의 밖에 있거나 안에 있을 수 있다. 원의 중심이 원의 밖에 있을 때 반지름의 길이는 ∣a∣−1\displaystyle |a|-1이고 원의 안에 있을 때 반지름의 길이가 1−∣a∣\displaystyle 1-|a|이다.반지름의 길이가 ∣a∣−1\displaystyle |a|-1일때 직선 y−2x=0\displaystyle y-2x=0과 점 (0,a)\displaystyle (0,a)의 거리도 원의 반지름의 길이와 같으므로∣a−2⋅0∣12+(−2)2=∣a∣−1\displaystyle \frac{|a-2\cdot0|}{\sqrt{1^{2}+(-2)^{2}}}=|a|-1이다. 이 식을 계산하면 ∣a∣=5+54\displaystyle |a|=\frac{5+\sqrt{5}}{4}이다. 반지름의 길이가 1−∣a∣\displaystyle 1-|a|일 때 직선 y−2x=0\displaystyle y-2x=0과 점 (0,a)\displaystyle (0,a)의 거리도 원의 반지름의 길이와 같으므로∣a−2⋅0∣12+(−2)2=1−∣a∣\displaystyle \frac{|a-2\cdot0|}{\sqrt{1^{2}+(-2)^{2}}}=1-|a|이다. 이 식을 계산하면 ∣a∣=5−54\displaystyle |a|=\frac{5-\sqrt{5}}{4}이다.따라서 구하는 원의 방정식은 모두x2+(y−5+54)2=(1+54)2,x2+(y+5+54)2=(1+54)2\displaystyle x^{2}+\left(y-\frac{5+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}=\left(\frac{1+\sqrt{5}}{4}\right)^{2},x^{2}+\left(y+\frac{5+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}=\left(\frac{1+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}x2+(y−5−54)2=(−1+54)2,x2+(y+5−54)2=(−1+54)2\displaystyle x^{2}+\left(y-\frac{5-\sqrt{5}}{4}\right)^{2}=\left(\frac{-1+\sqrt{5}}{4}\right)^{2},x^{2}+\left(y+\frac{5-\sqrt{5}}{4}\right)^{2}=\left(\frac{-1+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}이다.

(2) 문항 (1)에서 구한 원은 모두 직선 y=−2x\displaystyle y=-2x에 접함을 보이시오.풀이: 문항 (1)에서 구한 원의 중심과 직선 y+2x=0\displaystyle y+2x=0의 거리가 원의 반지름의 길이와 같으면 원이 직선 y+2x=0\displaystyle y+2x=0에 접한다.원 x2+(y−5+54)2=(1+54)2\displaystyle x^{2}+\left(y-\frac{5+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}=\left(\frac{1+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}의 중심 (0,5+54)\displaystyle \left(0,\frac{5+\sqrt{5}}{4}\right)와 직선 y+2x=0\displaystyle y+2x=0의 거리는 ∣5+54+2⋅0∣12+22=5+14\displaystyle \frac{\left|\frac{5+\sqrt{5}}{4}+2\cdot0\right|}{\sqrt{1^{2}+2^{2}}}=\frac{\sqrt{5}+1}{4}이다. 이 거리는 반지름의 길이 1+54\displaystyle \frac{1+\sqrt{5}}{4}와 같으므로 원과 직선이 접한다. 마찬가지로 원 x2+(y+5+54)2=(1+54)2\displaystyle x^{2}+\left(y+\frac{5+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}=\left(\frac{1+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}의 중심 (0,−5+54)\displaystyle \left(0,-\frac{5+\sqrt{5}}{4}\right)와 직선 y+2x=0\displaystyle y+2x=0의 거리도 ∣−5+54+2⋅0∣12+22=5+14\displaystyle \frac{\left|-\frac{5+\sqrt{5}}{4}+2\cdot0\right|}{\sqrt{1^{2}+2^{2}}}=\frac{\sqrt{5}+1}{4}이다. 이 거리 또한 반지름의 길이 1+54\displaystyle \frac{1+\sqrt{5}}{4}와 같으므로 원과 직선이 접한다.원 x2+(y−5−54)2=(−1+54)2\displaystyle x^{2}+\left(y-\frac{5-\sqrt{5}}{4}\right)^{2}=\left(\frac{-1+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}의 중심 (0,5−54)\displaystyle \left(0,\frac{5-\sqrt{5}}{4}\right)와 직선 y+2x=0\displaystyle y+2x=0의 거리는 ∣5−54+2⋅0∣12+22=5−14\displaystyle \frac{\left|\frac{5-\sqrt{5}}{4}+2\cdot0\right|}{\sqrt{1^{2}+2^{2}}}=\frac{\sqrt{5}-1}{4}이다. 이 거리는 반지름의 길이 −1+54\displaystyle \frac{-1+\sqrt{5}}{4}와 같으므로 원과 직선이 접한다. 마찬가지로 원 x2+(y+5−54)2=(−1+54)2\displaystyle x^{2}+\left(y+\frac{5-\sqrt{5}}{4}\right)^{2}=\left(\frac{-1+\sqrt{5}}{4}\right)^{2}의 중심 (0,−5−54)\displaystyle \left(0,-\frac{5-\sqrt{5}}{4}\right)와 직선 y+2x=0\displaystyle y+2x=0의 거리도 ∣−5−54+2⋅0∣12+22=5−14\displaystyle \frac{\left|-\frac{5-\sqrt{5}}{4}+2\cdot0\right|}{\sqrt{1^{2}+2^{2}}}=\frac{\sqrt{5}-1}{4}이다. 이 거리 또한 반지름의 길이 −1+54\displaystyle \frac{-1+\sqrt{5}}{4}와 같으므로 원과 직선이 접한다.

(3) 중심이 x\displaystyle x축 또는 y\displaystyle y축에 있고 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1과 한 점에서 만나며 직선 y=2x\displaystyle y=2x에 접하는 모든 원에 대하여 반지름의 길이의 최댓값과 최솟값의 합을 구하시오.풀이: 원의 중심이 y\displaystyle y축에 있는 경우 원의 반지름은 문항 (1)에서 모두 구하여 1+54\displaystyle \frac{1+\sqrt{5}}{4}, −1+54\displaystyle \frac{-1+\sqrt{5}}{4}이다.중심이 x\displaystyle x축에 있는 원의 중심을 (b,0)\displaystyle (b,0)라고 하자. 이 점이 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1 밖에 있으면 구하는 원의 반지름의 길이는 ∣b∣−1\displaystyle |b|-1이고 원 안에 있으면 원의 반지름의 길이는 1−∣b∣\displaystyle 1-|b|이다. 직선 y−2x=0\displaystyle y-2x=0과 점 (b,0)\displaystyle (b,0)의 거리도 원의 반지름의 길이와 같으므로 구하는 중심이 원 밖에 있을 때∣0−2⋅b∣12+(−2)2=∣b∣−1\displaystyle \frac{|0-2\cdot b|}{\sqrt{1^{2}+(-2)^{2}}}=|b|-1이다. 이 식을 계산하면 ∣b∣=5+25\displaystyle |b|=5+2\sqrt{5}이다. 따라서 중심이 x\displaystyle x축에 있고 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1 밖에서 조건을 만족하는 원의 반지름의 길이는 4+25\displaystyle 4+2\sqrt{5}이다. 마찬가지로 구하는 원의 중심이 원 안에 있을 때∣0−2⋅b∣12+(−2)2=1−∣b∣\displaystyle \frac{|0-2\cdot b|}{\sqrt{1^{2}+(-2)^{2}}}=1-|b|이다. 이 식을 계산하면 ∣b∣=5−25\displaystyle |b|=5-2\sqrt{5}이다. 따라서 중심이 x\displaystyle x축에 있고 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1 안에서 조건을 만족하는 원은 반지름의 길이가 −4+25\displaystyle -4+2\sqrt{5}이다.이제 조건을 만족하는 원들의 반지름의 길이의 크기를 모두 비교하면−1+54<−4+25<1+54<4+25\displaystyle \frac{-1+\sqrt{5}}{4}<-4+2\sqrt{5}<\frac{1+\sqrt{5}}{4}<4+2\sqrt{5}이다. 따라서 구하는 최댓값과 최솟값의 합은 (4+25)+−1+54=15+954\displaystyle (4+2\sqrt{5})+\frac{-1+\sqrt{5}}{4}=\frac{15+9\sqrt{5}}{4}이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.