수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

(1) 중심이 y\displaystyle y축에 있고 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1 밖에서 한 점에서 만나며 직선 y=2x\displaystyle y=2x에 접하는 원의 방정식을 모두 구하시오.풀이: 구하는 원의 중심을 (0,a)\displaystyle (0,a)라고 둔다. 조건에서 이 점은 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1 밖에 있으므로 a>1\displaystyle |a|>1이고 구하는 원의 반지름의 길이는 a1\displaystyle |a|-1이다. 직선 y2x=0\displaystyle y-2x=0과 점 (0,a)\displaystyle (0,a)의 거리도 원의 반지름의 길이와 같으므로a2012+(2)2=a1\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. 따라서 구하는 원의 방정식은 모두x2+(y5+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.x2+(y5+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+2012+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 거리는 5+54+2012+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}=1 밖에서 한 점에서 만나며 직선 y=2x\displaystyle y=2x에 접하는 원의 중심들을 꼭지점으로 하는 다각형의 넓이를 구하시오.풀이: 원의 중심이 y\displaystyle y축에 있는 경우는 문항 (1)에서 모두 구하여 (0,5+54)\displaystyle \left(0,\frac{5+\sqrt{5}}{4}\right), (0,554)\displaystyle \left(0,\frac{-5-\sqrt{5}}{4}\right)이다.중심이 x\displaystyle x축에 있는 원의 중심을 (b,0)\displaystyle (b,0)라고 하자. 조건에서 이 점은 원 x2+y2=1\displaystyle x^{2}+y^{2}=1 밖에 있으므로 b>1\displaystyle |b|>1이고 구하는 원의 반지름의 길이는 b1\displaystyle |b|-1이다. 직선 y2x=0\displaystyle y-2x=0과 점 (b,0)\displaystyle (b,0)의 거리도 원의 반지름의 길이와 같으므로 02b12+(2)2=b1\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 있는 구하는 원의 중심은 모두 (5+25,0),(525,0)\displaystyle (5+2\sqrt{5},0),(-5-2\sqrt{5},0)이다.앞서 구한 원의 중심 (0,5+54)\displaystyle \left(0,\frac{5+\sqrt{5}}{4}\right), (0,554)\displaystyle \left(0,\frac{-5-\sqrt{5}}{4}\right), (5+25,0)\displaystyle (5+2\sqrt{5},0), (525,0)\displaystyle (-5-2\sqrt{5},0)을 꼭지점으로 하는 다각형은 마름모꼴이다. 따라서 이 다각형의 넓이는12(5+54(554))(5+25(525))=35+1552\displaystyle \frac{1}{2}\left(\frac{5+\sqrt{5}}{4}-\left(\frac{-5-\sqrt{5}}{4}\right)\right)\cdot(5+2\sqrt{5}-(-5-2\sqrt{5}))=\frac{35+15\sqrt{5}}{2}이다.

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