수리논술, 이게 다다.

자연계열 1-1번

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문제

곡선 y=−x2−4x+1\displaystyle y=\sqrt{-x^{2}-4x+1} 위의 점 P(a,b)\displaystyle \mathrm{P}(a,b)에서의 접선은 곡선 y=32x2−8x+12\displaystyle y=\frac{3}{2}x^{2}-8x+12 위의 점 Q(c,d)\displaystyle \mathrm{Q}(c,d)에서의 접선과 평행하고, 점 P와 점 Q를 지나는 직선과 수직이다.이때, 점 P와 점 Q의 좌표를 각각 구하시오. (단, −2−5<a<−2+5\displaystyle -2-\sqrt{5}<a<-2+\sqrt{5})

Advice. 기하학적 성질을 활용하여 계산을 줄인다.

+15점 · 미분을 활용하여 두 곡선의 접선의 기울기를 구하였는가?

곡선 y=−x2−4x+1=5−(x+2)2\displaystyle y=\sqrt{-x^{2}-4x+1}=\sqrt{5-(x+2)^{2}} 는 중심이 C(−2,0)\displaystyle \mathrm{C}(-2,0)이고반지름이 5\displaystyle \sqrt{5}인 원의 위쪽 반원이다.원의 접선은 그 접점에 이르는 반지름과 수직이므로,점 P에서의 접선은 선분 CP와 수직이다.한편 문제의 조건에서 점 P에서의 접선은 직선 PQ와도 수직이다.점 P를 지나면서 한 직선에 수직인 직선은 하나뿐이므로 두 직선 CP와 PQ는 같은 직선이고,따라서 세 점 C\displaystyle \mathrm{C}, P\displaystyle \mathrm{P}, Q\displaystyle \mathrm{Q}는 한 직선 위에 있다.한편 g(x)=32x2−8x+12\displaystyle g(x)=\frac{3}{2}x^{2}-8x+12에서 g′(x)=3x−8\displaystyle g^{\prime}(x)=3x-8이므로 점 Q에서의 접선의 기울기는 3c−8\displaystyle 3c-8이고,두 접선이 서로 평행하므로 점 P에서의 접선의 기울기도 3c−8\displaystyle 3c-8이다.

+15점 · 수직인 직선의 기울기와 인수분해를 이용하여 점을 구하였는가?

점 Q에서의 접선은 직선 PQ, 곧 직선 CQ와 수직이다.직선 CQ의 기울기는 d−0c−(−2)=dc+2\displaystyle \frac{d-0}{c-(-2)}=\frac{d}{c+2}이므로dc+2(3c−8)=−1\displaystyle \frac{d}{c+2}(3c-8)=-1이 성립한다.여기에 d=32c2−8c+12\displaystyle d=\frac{3}{2}c^{2}-8c+12을 대입하여 정리하면(32c2−8c+12)(3c−8)=−(c+2)⇔ 9c3−72c2+202c−188=0⇔ (c−2)(9c2−54c+94)=0\displaystyle \begin{aligned} & \left(\frac{3}{2}c^{2}-8c+12\right)(3c-8)=-(c+2) \\ \Leftrightarrow\ & 9c^{3}-72c^{2}+202c-188=0 \\ \Leftrightarrow\ & (c-2)(9c^{2}-54c+94)=0 \end{aligned}이고, 9c2−54c+94\displaystyle 9c^{2}-54c+94의 판별식이 542−4⋅9⋅94=−468<0\displaystyle 54^{2}-4\cdot 9\cdot 94=-468<0이라 실근이 없으므로 c=2\displaystyle c=2이다.따라서 d=32⋅22−8⋅2+12=2\displaystyle d=\frac{3}{2}\cdot 2^{2}-8\cdot 2+12=2이므로 Q(2,2)\displaystyle \mathrm{Q}(2,2)이다.

점 P는 직선 CQ 위에 있으면서 CP‾=5\displaystyle \overline{\mathrm{CP}}=\sqrt{5}인 점이다.CQ‾=42+22=25\displaystyle \overline{\mathrm{CQ}}=\sqrt{4^{2}+2^{2}}=2\sqrt{5}이므로 점 P는 선분 CQ의 중점이고,따라서 P(0,1)\displaystyle \mathrm{P}(0,1)이다.직선 CQ가 원과 만나는 나머지 한 점 (−4,−1)\displaystyle (-4,-1)은 y\displaystyle y좌표가 음수라 이 반원 위의 점이 아니다.a=0\displaystyle a=0은 주어진 범위 −2−5<a<−2+5\displaystyle -2-\sqrt{5}<a<-2+\sqrt{5}를 만족한다.

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