수리논술, 이게 다다.

자연계열 1-2번

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문제

중심이 원점이고 반지름이 1\displaystyle 1인 원을 x\displaystyle x축 방향으로 p\displaystyle p만큼(단, 0<p<3\displaystyle 0<p<3) y\displaystyle y축 방향으로 1\displaystyle 1만큼 평행이동한 원 O가 있다. 원 O의 중심을 P라 하고, 원 O가 직선 y=−13x+2\displaystyle y=-\frac{1}{3}x+2와 만나는 두 점을 각각 Q, R이라 하자. 삼각형 △PQR\displaystyle \triangle\mathrm{PQR}의 넓이가 최대가 되는 p\displaystyle p를 구하고, 이때 삼각형 △PQR\displaystyle \triangle\mathrm{PQR}의 넓이를 구하시오.

해설강의 준비중

두 점 Q, R사이의 거리를 l\displaystyle l, 점 P에서 선분 QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}}까지의 거리를 d\displaystyle d라고 하자.

삼각형 △PQR\displaystyle \triangle\mathrm{PQR}의 넓이를 S\displaystyle S라고 하면, S=12dl\displaystyle S=\frac{1}{2}dl이다.

+10점 · 원의 중심과 직선 사이의 거리를 p\displaystyle p에 대한 식으로 구했는가?

선분 QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}}은 직선 x+3y−6=0\displaystyle x+3y-6=0위에 있으므로, d=∣p+3−6∣12+32=∣p−3∣10\displaystyle d=\frac{|p+3-6|}{\sqrt{1^{2}+3^{2}}}=\frac{|p-3|}{\sqrt{10}}이다.

+10점 · 원과 직선이 만나는 두 점 사이의 거리를 p\displaystyle p에 대한 식으로 구했는가?

점 Q(x1,y1), R(x2,y2)\displaystyle \mathrm{Q}(x_{1},y_{1}),\ \mathrm{R}(x_{2},y_{2}) 사이의 거리는l=(x1−x2)2+(y1−y2)2=(x1−x2)2+((−13x1+2)−(−13x2+2))2=109(x1−x2)2=103∣x1−x2∣\displaystyle l=\sqrt{(x_{1}-x_{2})^{2}+(y_{1}-y_{2})^{2}}=\sqrt{(x_{1}-x_{2})^{2}+\left(\left(-\frac{1}{3}x_{1}+2\right)-\left(-\frac{1}{3}x_{2}+2\right)\right)^{2}}=\sqrt{\frac{10}{9}(x_{1}-x_{2})^{2}}=\frac{\sqrt{10}}{3}|x_{1}-x_{2}|원 O와 직선 y=−13x+2\displaystyle y=-\frac{1}{3}x+2이 만나는 두 점 Q, R을 구하자.원 O의 방정식은 (x−p)2+(y−1)2=1\displaystyle (x-p)^{2}+(y-1)^{2}=1이므로(x−p)2+(−13x+2−1)2=1⇒(x−p)2+(−13x+1)2=1⇒9(x−p)2+x2−6x=0⇒10x2−6(3p+1)x+9p2=0\displaystyle \begin{aligned}&(x-p)^{2}+\left(-\frac{1}{3}x+2-1\right)^{2}=1\quad\Rightarrow\quad(x-p)^{2}+\left(-\frac{1}{3}x+1\right)^{2}=1\\&\Rightarrow\quad9(x-p)^{2}+x^{2}-6x=0\quad\Rightarrow\quad10x^{2}-6(3p+1)x+9p^{2}=0\end{aligned}이다. 두 근 사이의 거리는 ∣x1−x2∣=15−9p2+54p+9\displaystyle |x_{1}-x_{2}|=\frac{1}{5}\sqrt{-9p^{2}+54p+9}이고, l=1015−9p2+54p+9\displaystyle l=\frac{\sqrt{10}}{15}\sqrt{-9p^{2}+54p+9}이다.

+10점 · 미분을 이용하여 극댓값을 구하였는가?

따라서, S=130∣p−3∣−9p2+54p+9\displaystyle S=\frac{1}{30}|p-3|\sqrt{-9p^{2}+54p+9}이다.S2\displaystyle S^{2}가 최대일 때 S\displaystyle S가 최대이므로,V(x)=1302(x−3)2(−9x2+54x+9)\displaystyle V(x)=\frac{1}{30^{2}}(x-3)^{2}(-9x^{2}+54x+9)가 0<x<3\displaystyle 0<x<3에서 최대가 되는 점을 구하면 된다.V′(x)=1302(2(x−3)(−9x2+54x+9)+(x−3)2(−18x+54))=18(x−3)302((−x2+6x+1)−(x−3)2)=18(x−3)302(−2x2+12x−8)=−36(x−3)302(x2−6x+4)\displaystyle \begin{aligned}V^{\prime}(x)&=\frac{1}{30^{2}}\left(2(x-3)(-9x^{2}+54x+9)+(x-3)^{2}(-18x+54)\right)\\&=\frac{18(x-3)}{30^{2}}\left((-x^{2}+6x+1)-(x-3)^{2}\right)\\&=\frac{18(x-3)}{30^{2}}(-2x^{2}+12x-8)\\&=-\frac{36(x-3)}{30^{2}}(x^{2}-6x+4)\end{aligned}이므로, V(x)\displaystyle V(x)는 x=3−5, 3, 3+5\displaystyle x=3-\sqrt{5},\ 3,\ 3+\sqrt{5}에서 극값을 가지고, x=3−5, 3+5\displaystyle x=3-\sqrt{5},\ 3+\sqrt{5}에서 극댓값, x=3\displaystyle x=3에서 극솟값을 갖는다.그러므로 V(x)\displaystyle V(x)는 0<x<3\displaystyle 0<x<3에서 x=3−5\displaystyle x=3-\sqrt{5}일 때 최댓값을 갖고, 마찬가지로 S\displaystyle S는 p=3−5\displaystyle p=3-\sqrt{5}일 때 최댓값을 갖는다.이때 S=130∣p−3∣−9p2+54p+9=130∣p−3∣−9(p2−6p+4)+45=130545=12\displaystyle S=\frac{1}{30}|p-3|\sqrt{-9p^{2}+54p+9}=\frac{1}{30}|p-3|\sqrt{-9(p^{2}-6p+4)+45}=\frac{1}{30}\sqrt{5}\sqrt{45}=\frac{1}{2}이다.

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