수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후2) 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

좌표평면에서 방정식 f(x,y)=0\displaystyle f(x,y)=0이 나타내는 도형 A\displaystyle A와 점 P를 중심으로 하고 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원이 만나는 점의 개수를 n\displaystyle n이라 하자. 또 r\displaystyle r가 변할 때 n\displaystyle n의 최댓값이 존재한다면 이를 NP\displaystyle N_{\mathrm P}라고 하자. 예를 들어 오른쪽 그림에서 r\displaystyle r가 증가할 때, n\displaystyle n은 2, 3, 4, 3, 2 순으로 변하고 NP=4\displaystyle N_{\mathrm P}=4이다.

점 P 중심의 원과 도형 A의 교점 개수 변화

1. 도형 A\displaystyle A를 포물선 y=x2\displaystyle y=x^2이라 하자. 점 P(3,3)\displaystyle \mathrm P(\sqrt3,3)과의 거리가 23\displaystyle 2\sqrt3이 되는 A\displaystyle A의 점을 모두 구하시오.

2. 도형 A\displaystyle A를 포물선 y=x2\displaystyle y=x^2이라 하자. 점 P(a,a2)\displaystyle \mathrm P(a,a^2)에 대하여 NP=2\displaystyle N_{\mathrm P}=2가 되는 a\displaystyle a의 값 또는 범위를 구하시오.

3. 방정식 x3−3xy−y3−1=0\displaystyle x^3-3xy-y^3-1=0이 나타내는 도형을 A\displaystyle A라 하자. 원점 P(0,0)\displaystyle \mathrm P(0,0)에 대하여 NP\displaystyle N_{\mathrm P}를 구하고 이때 반지름의 길이 r\displaystyle r의 값 또는 범위를 구하시오.

해설강의 준비중

논술 이차곡선과 원의 위치 관계

관련 개념강의 준비중
+10점 · 좌표평면에서 주어진 조건을 만족하는 두 점 사이의 거리에 대한 식을 정확히 세웠는가?

1.포물선 A\displaystyle A의 한 점을 Q(x,x2)\displaystyle \mathrm Q(x,x^2)이라고 하면 PQ‾=(x−3)2+(x2−3)2\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=\sqrt{(x-\sqrt3)^2+(x^2-3)^2}이다.PQ‾=23\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=2\sqrt3이면 (x−3)2+(x2−3)2=12\displaystyle (x-\sqrt3)^2+(x^2-3)^2=12이고,

+10점 · 점 (3,3)\displaystyle (\sqrt3,3)과 거리가 23\displaystyle 2\sqrt3인 포물선 위의 점들을 모두 구했는가?

이를 정리하면 x(x+3)(x−3+112)(x−3−112)=0\displaystyle x(x+\sqrt3)\left(x-\frac{\sqrt3+\sqrt{11}}2\right)\left(x-\frac{\sqrt3-\sqrt{11}}2\right)=0이므로,PQ‾=23\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=2\sqrt3인 A\displaystyle A의 점 Q는 모두 4개이고 각각의 좌표는(0,0),(−3,3),(3+112,7+332),(3−112,7−332)\displaystyle (0,0),\quad(-\sqrt3,3),\quad\left(\frac{\sqrt3+\sqrt{11}}2,\frac{7+\sqrt{33}}2\right),\quad\left(\frac{\sqrt3-\sqrt{11}}2,\frac{7-\sqrt{33}}2\right)이다.(아래 그림 참조.)

점 P에서 거리가 2√3인 포물선의 네 점
+10점 · 점 P(a,a2)\displaystyle \mathrm P(a,a^2)과 포물선 위의 임의의 점 Q(x,x2)\displaystyle \mathrm Q(x,x^2) 사이의 거리에 대한 식 f(x)\displaystyle \sqrt{f(x)}를 구했는가?

2.점 P(a,a2)\displaystyle \mathrm P(a,a^2)와 포물선 A\displaystyle A의 임의의 점 Q(x,x2)\displaystyle \mathrm Q(x,x^2)와의 거리는 (x−a)2+(x2−a2)2\displaystyle \sqrt{(x-a)^2+(x^2-a^2)^2}이다.f(x)=(x−a)2+(x2−a2)2\displaystyle f(x)=(x-a)^2+(x^2-a^2)^2이라 하면, 양의 실수 r\displaystyle r에 대해, 점 P와 거리 r\displaystyle r인 A\displaystyle A의 점들의 개수는 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 직선 y=r2\displaystyle y=r^2의 교점의 개수와 일치한다.

+10점 · 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프의 개형을 a\displaystyle a의 범위에 따라 정확히 분석했는가?

곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 개형을 알아보기 위해 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 실근의 개수를 구해보자.f′(x)=2(x−a)+2(x2−a2)2x=2(x−a)(2x2+2ax+1)\displaystyle f^{\prime}(x)=2(x-a)+2(x^2-a^2)2x=2(x-a)(2x^2+2ax+1)이므로, 2x2+2ax+1\displaystyle 2x^2+2ax+1의 판별식 D/4=a2−2\displaystyle \mathrm D/4=a^2-2에 대하여① D/4>0\displaystyle \mathrm D/4>0 ( 즉, a<−2\displaystyle a<-\sqrt2 또는 a>2\displaystyle a>\sqrt2 ) 이면, f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 실근은 a,−a−a2−22,−a+a2−22\displaystyle a,\frac{-a-\sqrt{a^2-2}}2,\frac{-a+\sqrt{a^2-2}}2이다.따라서 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 다음 중 하나이다

D/4>0인 경우 사차함수의 두 개형 1
D/4>0인 경우 사차함수의 두 개형 2

이고, 이 경우 양의 실수 r\displaystyle r에 대해 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=r2\displaystyle y=r^2의 교점은 최대 4개 이므로 NP=4\displaystyle N_{\mathrm P}=4이다.② D/4=0\displaystyle \mathrm D/4=0 ( 즉, a=±2\displaystyle a=\pm\sqrt2 ) 이면, f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 실근은 a,−a2\displaystyle a,-\frac a2이다. 따라서 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 아래 중 하나이다

D/4=0인 경우 사차함수의 두 개형 1
D/4=0인 경우 사차함수의 두 개형 2

이고 이 경우 양의 실수 r\displaystyle r에 대해 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=r2\displaystyle y=r^2의 교점은 항상 2개 이므로 NP=2\displaystyle N_{\mathrm P}=2이다.③ D/4<0\displaystyle \mathrm D/4<0 ( 즉, −2<a<2\displaystyle -\sqrt2<a<\sqrt2 ) 이면, f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0의 실근은 a\displaystyle a뿐이다.따라서 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 아래 중 하나이다.

D/4<0인 경우 사차함수의 세 개형 1
D/4<0인 경우 사차함수의 세 개형 2
D/4<0인 경우 사차함수의 세 개형 3
+20점 · 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프를 통해 조건을 만족시키는 a\displaystyle a값의 범위를 구했는가?

이고, 이 경우 역시 양의 실수 r\displaystyle r에 대해 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 y=r2\displaystyle y=r^2의 교점은 항상 2개 이므로 NP=2\displaystyle N_{\mathrm P}=2이다.②, ③의 경우에만 NP=2\displaystyle N_{\mathrm P}=2이므로, 구하는 a\displaystyle a값의 범위는 −2≤a≤2\displaystyle -\sqrt2\le a\le\sqrt2이다.

+10점 · 주어진 방정식이 나타내는 도형이 직선 x−y−1=0\displaystyle x-y-1=0을 포함하고 있음을 보였는가?

3.x3−3xy−y3−1=x3−y3−3xy−1=(x−y)3+3xy(x−y)−3xy−1=(x−y)3−1+3xy(x−y−1)=(x−y−1)((x−y)2+(x−y)+1)+3xy(x−y−1)=(x−y−1)(x2−2xy+y2+x−y+1+3xy)=12(x−y−1)(x2+2xy+y2+x2+2x+1+y2−2y+1)=12(x−y−1)((x+y)2+(x+1)2+(y−1)2)\displaystyle \begin{aligned}x^3-3xy-y^3-1&=x^3-y^3-3xy-1=(x-y)^3+3xy(x-y)-3xy-1=(x-y)^3-1+3xy(x-y-1)\\&=(x-y-1)((x-y)^2+(x-y)+1)+3xy(x-y-1)=(x-y-1)(x^2-2xy+y^2+x-y+1+3xy)\\&=\frac12(x-y-1)(x^2+2xy+y^2+x^2+2x+1+y^2-2y+1)=\frac12(x-y-1)((x+y)^2+(x+1)^2+(y-1)^2)\end{aligned}이므로 집합 A\displaystyle A는 직선 x−y−1=0\displaystyle x-y-1=0과 한 점 (−1,1)\displaystyle (-1,1)로 이루어져 있다.

+30점 · 주어진 방정식이 나타내는 도형의 개형을 분석하고, 원점 P에 대한 NP\displaystyle N_{\mathrm P}와 이때 반지름의 길이를 구했는가?
원점 중심의 반지름 √2인 원과 직선 및 점 (−1,1)

위 그림으로부터 점 P에 대한 집합 A\displaystyle A의 NP\displaystyle N_{\mathrm P}는 3이고 이때 반지름 r\displaystyle r은 2\displaystyle \sqrt2이다.

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