수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

다음의 타원 (1)과 (2)에 대해서,(1)x2a2+y2b2=1(단, a>b>0)\displaystyle (1)\quad\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1\quad(\text{단},\ a>b>0)(2)x2b2+y2d2=1(단, d>b>0)\displaystyle (2)\quad\frac{x^2}{b^2}+\frac{y^2}{d^2}=1\quad(\text{단},\ d>b>0)

타원 (1)은 타원 (2)의 초점을 지나고, 타원 (2)는 타원 (1)의 초점을 지난다.

서로의 초점을 지나는 두 타원과 두 사각형

두 타원의 교점을 A1,B1,C1,D1\displaystyle \mathrm{A}_1,\mathrm{B}_1,\mathrm{C}_1,\mathrm{D}_1라 하고, 타원(1)의 장축의 양 꼭짓점과 단축의 양 꼭짓점을 지나는 타원(1)의 접선들의 교점을 A2,B2,C2,D2\displaystyle \mathrm{A}_2,\mathrm{B}_2,\mathrm{C}_2,\mathrm{D}_2라 하자.

2-1. 제시문의 타원 (1)과 (2)의 장축이 같음을 보여라. [10점]

2-2. 제시문의 사각형 A1B1C1D1\displaystyle \mathrm{A}_1\mathrm{B}_1\mathrm{C}_1\mathrm{D}_1의 넓이를 S1\displaystyle S_1, 사각형 A2B2C2D2\displaystyle \mathrm{A}_2\mathrm{B}_2\mathrm{C}_2\mathrm{D}_2의 넓이를 S2\displaystyle S_2라 하자. S2\displaystyle S_2와 2S1\displaystyle 2S_1의 대소를 비교하여라. [10점]

2-3. 제시문의 교점 A1\displaystyle \mathrm{A}_1에서 두 접선이 이루는 예각의 크기를 θ\displaystyle \theta라 하자. 이때 tan⁡θ\displaystyle \tan\theta의 값을 구하여라. [10점]

해설강의 준비중

2-1. [풀이] 타원 (1)의 초점을 (±k1,0)\displaystyle (\pm k_1,0)라 하고, 타원 (2) 의 초점을 (0,±k2)\displaystyle (0,\pm k_2)라 하자. 즉, k1=a2−b2\displaystyle k_1=\sqrt{a^2-b^2}, k2=d2−b2\displaystyle k_2=\sqrt{d^2-b^2}. 타원 (1)은 타원 (2)는 초점을 지나고 타원 (2)는 타원 (1)의 초점을 지나는 조건으로부터,b=a2−b2\displaystyle b=\sqrt{a^2-b^2}, b=d2−b2\displaystyle b=\sqrt{d^2-b^2}가 성립하므로 a=d=2b\displaystyle a=d=\sqrt2b이다. 따라서, 장축의 길이는 같다.

2-2. [풀이] 문제 1-1에서 a=d\displaystyle a=d이므로, 두 타원의 교점 (p,q)\displaystyle (p,q)에서 p2a2+q2b2=1\displaystyle \frac{p^2}{a^2}+\frac{q^2}{b^2}=1과 p2b2+q2a2=1\displaystyle \frac{p^2}{b^2}+\frac{q^2}{a^2}=1이 성립한다.Correction. 여기서 인용한 “문제 1-1”은 “문제 2-1”의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서 (p,q)=(±aba2+b2,±aba2+b2)=(±23b,±23b)\displaystyle (p,q)=\left(\pm\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2}},\pm\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)=\left(\pm\sqrt{\frac23}b,\pm\sqrt{\frac23}b\right). 이로부터 사각형 A1B1C1D1\displaystyle \mathrm{A}_1\mathrm{B}_1\mathrm{C}_1\mathrm{D}_1의 넓이 S1\displaystyle S_1은 83b2\displaystyle \frac83b^2이다.타원의 장축과 단축으로부터 사각형 A2B2C2D2\displaystyle \mathrm{A}_2\mathrm{B}_2\mathrm{C}_2\mathrm{D}_2의 넓이 S2\displaystyle S_2는 42b2\displaystyle 4\sqrt2b^2이다. 따라서 S2>2S1\displaystyle S_2>2S_1이다.

2-3. [풀이] 문제 1-1에서 a=d\displaystyle a=d이므로, 두 타원의 교점 A1\displaystyle \mathrm{A}_1의 좌표 (p,q)\displaystyle (p,q)에 대해 p2a2+q2b2=1\displaystyle \frac{p^2}{a^2}+\frac{q^2}{b^2}=1과 p2b2+q2a2=1\displaystyle \frac{p^2}{b^2}+\frac{q^2}{a^2}=1이 성립한다.즉, (p,q)=(±aba2+b2,±aba2+b2)\displaystyle (p,q)=\left(\pm\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2}},\pm\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2}}\right). 그러므로 교점 A1\displaystyle \mathrm{A}_1의 좌표는 (p,q)=(aba2+b2,aba2+b2)\displaystyle (p,q)=\left(\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2}},\frac{ab}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)이다. 이 때 음함수의 미분으로 부터 식 2xa2+2yy′b2=0\displaystyle \frac{2x}{a^2}+\frac{2yy^{\prime}}{b^2}=0, 2xb2+2yy′a2=0\displaystyle \frac{2x}{b^2}+\frac{2yy^{\prime}}{a^2}=0을 얻는다. 따라서 교점 A1\displaystyle A_1의 두 접선의 기울기는 각각 −b2a2\displaystyle -\frac{b^2}{a^2}, −a2b2\displaystyle -\frac{a^2}{b^2}이다.결국 문제 1-1 에서 a=d=2b\displaystyle a=d=\sqrt2b이므로, 교점 A1\displaystyle A_1의 두 접선의 기울기는 각각 −12\displaystyle -\frac12, −2\displaystyle -2이다. 두 접선이 x\displaystyle x축과 이루는 각을 각각 θ1\displaystyle \theta_1, θ2\displaystyle \theta_2라 하면, tan⁡θ1=−12\displaystyle \tan\theta_1=-\frac12, tan⁡θ2=−2\displaystyle \tan\theta_2=-2이다. 두 접선이 이루는 예각 θ\displaystyle \theta의 크기는 θ1−θ2\displaystyle \theta_1-\theta_2이다. 따라서tan⁡θ=tan⁡(θ1−θ2)=tan⁡θ1−tan⁡θ21+tan⁡θ1tan⁡θ2=34\displaystyle \tan\theta=\tan(\theta_1-\theta_2)=\frac{\tan\theta_1-\tan\theta_2}{1+\tan\theta_1\tan\theta_2}=\frac34.

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