수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

1. 음함수의 미분법을 이용하면x2+2y3dydx=0\displaystyle \frac x2+\frac{2y}3\frac{dy}{dx}=0이다. 즉, y0\displaystyle y\ne0일 때dydx=3x4y\displaystyle \frac{dy}{dx}=-\frac{3x}{4y}를 얻는다. 따라서 (1,32)\displaystyle \left(-1,\frac32\right)를 지나는 접선의 기울기는 12\displaystyle \frac12이다.

2. 포물선 x=y2\displaystyle x=y^2 위의 점을 (a,b)\displaystyle (a,b)라고 하자. 그러면 a=b2\displaystyle a=b^2이 성립한다. 원점이 아닌 점에서의 포물선에 접하는 접선의 기울기를 구하면 dydx=12y\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac1{2y}이므로 원점이 아닌 점 (a,b)\displaystyle (a,b)를 지나고 포물선 x=y2\displaystyle x=y^2에 접하는 직선의 방정식은y=12b(xa)+b\displaystyle y=\frac1{2b}(x-a)+b가 된다. 평면위의 점 (3,1)\displaystyle (-3,1)이 이 직선위에 있다고 하면 1=12b(3a)+b\displaystyle 1=\frac1{2b}(-3-a)+b, 즉, 2b=3a+2b2\displaystyle 2b=-3-a+2b^2을 만족하는데, 앞서 포물선 위의 점은 a=b2\displaystyle a=b^2을 만족하므로, 2b=3b2+2b2\displaystyle 2b=-3-b^2+2b^2이 성립한다. 따라서 b22b3=0\displaystyle b^2-2b-3=0을 풀면 b=3\displaystyle b=3 또는 b=1\displaystyle b=-1을 만족하고, 이에 대응하는 a\displaystyle aa=9\displaystyle a=9또는 a=1\displaystyle a=1이다. 따라서 포물선 x=y2\displaystyle x=y^2에 접하고 점 (3,1)\displaystyle (-3,1)을 지나는 직선은(9,3)\displaystyle (9,3)에서 접하는 y=16x+32\displaystyle y=\frac16x+\frac32(1,1)\displaystyle (1,-1)에서 접하는 y=12x12\displaystyle y=-\frac12x-\frac12이다.두 직선이 x\displaystyle x축과 이루는 각을 각각 α\displaystyle \alphaβ\displaystyle \beta라고 하자. (단, 0<α,βπ2\displaystyle 0<\alpha,\beta\le\frac\pi2로 잡는다.) 이 때, tanα=16, tanβ=12\displaystyle \tan\alpha=\frac16,\ \tan\beta=\frac12이다. 이를 이용하면 sinα=137, cosα=637, sinβ=15, cosβ=25\displaystyle \sin\alpha=\frac1{\sqrt{37}},\ \cos\alpha=\frac6{\sqrt{37}},\ \sin\beta=\frac1{\sqrt5},\ \cos\beta=\frac2{\sqrt5}를 얻을 수 있고,cos(α+β)=cosαcosβsinαsinβ=121851185=11185\displaystyle \cos(\alpha+\beta)=\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta=\frac{12}{\sqrt{185}}-\frac1{\sqrt{185}}=\frac{11}{\sqrt{185}}를 얻는다.이 때 cos(α+β)\displaystyle \cos(\alpha+\beta)가 양수이므로 0<α+β<π2\displaystyle 0<\alpha+\beta<\frac\pi2을 확인할 수 있다. 따라서 θ=α+β\displaystyle \theta=\alpha+\beta가 되고, cosθ=11185\displaystyle \cos\theta=\frac{11}{\sqrt{185}}이다.

3. 초점 C(1,0)\displaystyle \mathrm C(1,0)을 지나고 기울기가 m\displaystyle m인 직선은 y=m(x1)\displaystyle y=m(x-1)이다. 삼각형의 넓이를 구하기 위해서는 점 A\displaystyle A와 점 B\displaystyle By\displaystyle y좌표값을 알아야 한다. x=ym+1\displaystyle x=\frac ym+1을 타원의 방정식에 대입하면 14(ym+1)2+y23=1\displaystyle \frac14\left(\frac ym+1\right)^2+\frac{y^2}3=1이 되고, 정리하면(1m2+43)y2+2my3=0\displaystyle \left(\frac1{m^2}+\frac43\right)y^2+\frac2m y-3=0이 된다. 따라서y1=1m1m2+3(1m2+43)1m2+43=3m(1+2m2+1)4m2+3,\displaystyle y_1=\frac{-\frac1m-\sqrt{\frac1{m^2}+3(\frac1{m^2}+\frac43)}}{\frac1{m^2}+\frac43}=-\frac{3m(1+2\sqrt{m^2+1})}{4m^2+3},y2=1m+1m2+3(1m2+43)1m2+43=3m(1+2m2+1)4m2+3\displaystyle y_2=\frac{-\frac1m+\sqrt{\frac1{m^2}+3(\frac1{m^2}+\frac43)}}{\frac1{m^2}+\frac43}=\frac{3m(-1+2\sqrt{m^2+1})}{4m^2+3}를 얻을 수 있다. 삼각형의 넓이는 S1=32y1,S2=12y2\displaystyle S_1=-\frac32y_1,\quad S_2=\frac12y_2이므로,S1S2=323m(1+2m2+1)4m2+3123m(1+2m2+1)4m2+3=3(1+2m2+1)1+2m2+1\displaystyle \frac{S_1}{S_2}=\frac{\frac32\frac{3m(1+2\sqrt{m^2+1})}{4m^2+3}}{\frac12\frac{3m(-1+2\sqrt{m^2+1})}{4m^2+3}}=\frac{3(1+2\sqrt{m^2+1})}{-1+2\sqrt{m^2+1}}이다.따라서 limm0S1S2=limm03(1+2m2+1)1+2m2+1=9\displaystyle \lim_{m\to0}\frac{S_1}{S_2}=\lim_{m\to0}\frac{3(1+2\sqrt{m^2+1})}{-1+2\sqrt{m^2+1}}=9를 얻는다.

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