수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

좌표평면에서 점 (x1,y1)\displaystyle (x_1,y_1)과 직선 ax+by+c=0\displaystyle ax+by+c=0 사이의 거리는 d=∣ax1+by1+c∣a2+b2\displaystyle d=\frac{|ax_1+by_1+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}이다.

(※) 직선 l:y=x+k\displaystyle l:y=x+k와 타원 C:x24+y2=1\displaystyle C:\frac{x^2}4+y^2=1이 있다. (단, k\displaystyle k는 상수이다.)

(2-1) 타원 C\displaystyle C와 직선 l\displaystyle l이 서로 다른 두 점에서 만나기 위한 k\displaystyle k의 범위를 구하시오. (10점)

(2-2) 타원 C\displaystyle C와 직선 l\displaystyle l이 서로 다른 두 점 P,Q\displaystyle P,Q에서 만난다고 하자. 좌표평면의 원점 O\displaystyle O에 대하여 삼각형 OPQ\displaystyle OPQ의 넓이의 최댓값과 이 때의 k\displaystyle k의 값을 구하시오. (15점)

해설강의 준비중
10 · (2-1)

(2-1)직선 l\displaystyle l과 타원 C\displaystyle C로부터 이차방정식 5x2+8kx+4k2−4=0\displaystyle 5x^2+8kx+4k^2-4=0을 얻는다. 이차방정식이 서로 다른 두 실근을 가져야 하므로D/4=16k2−5(4k2−4)=−4k2+20=−4(k2−5)>0\displaystyle D/4=16k^2-5(4k^2-4)=-4k^2+20=-4(k^2-5)>0이다. 따라서 타원 C\displaystyle C와 직선 l\displaystyle l이 서로 다른 두 점에서 만나기 위한 상수 k\displaystyle k의 범위는 −5<k<5\displaystyle -\sqrt5<k<\sqrt5이다.

15 · (2-2)

(2-2)타원 C\displaystyle C와 직선 l\displaystyle l이 서로 다른 두 점 P,Q\displaystyle P,Q에서 만난다고 하자. P,Q\displaystyle P,Q의 좌표를 P(α,α+k),Q(β,β+k)\displaystyle P(\alpha,\alpha+k),Q(\beta,\beta+k)라 하면 α,β\displaystyle \alpha,\beta는 (2-1)에서 얻은 이차방정식5x2+8kx+4k2−4=0(−5<k<5)\displaystyle 5x^2+8kx+4k^2-4=0\quad(-\sqrt5<k<\sqrt5)의 서로 다른 두 실근이므로 α+β=−8k5, αβ=4k2−45\displaystyle \alpha+\beta=-\frac{8k}5,\ \alpha\beta=\frac{4k^2-4}5이다. 삼각형 OPQ\displaystyle OPQ의 밑변의 길이인 선분 PQ\displaystyle PQ의 길이를 구하면PQ‾ 2=(α−β)2+(α+k−β−k)2=2(α−β)2=2{(α+β)2−4αβ}=2{64k225−16(k2−1)5}=2{80−16k225}=32(5−k2)25\displaystyle \begin{aligned}\overline{PQ}^{\,2}&=(\alpha-\beta)^2+(\alpha+k-\beta-k)^2=2(\alpha-\beta)^2=2\{(\alpha+\beta)^2-4\alpha\beta\}\\&=2\left\{\frac{64k^2}{25}-\frac{16(k^2-1)}5\right\}=2\left\{\frac{80-16k^2}{25}\right\}=\frac{32(5-k^2)}{25}\end{aligned}∴ PQ‾=32(5−k2)25=32(5−k2)5\displaystyle \therefore\ \overline{PQ}=\sqrt{\frac{32(5-k^2)}{25}}=\frac{\sqrt{32(5-k^2)}}5한편, 삼각형 OPQ\displaystyle OPQ의 높이는 원점 O(0,0)\displaystyle O(0,0)에서 직선 x−y+k=0\displaystyle x-y+k=0까지의 거리이므로 ∣k∣2\displaystyle \frac{|k|}{\sqrt2}이다. 따라서 삼각형 OPQ\displaystyle OPQ의 넓이는S(k)=12∣k∣232(5−k2)5=25k2(5−k2)\displaystyle S(k)=\frac12\frac{|k|}{\sqrt2}\frac{\sqrt{32(5-k^2)}}5=\frac25\sqrt{k^2(5-k^2)}이다. f(k)=5k2−k4\displaystyle f(k)=5k^2-k^4이라 하자. f′(k)=10k−4k3=2k(5−2k2)=0\displaystyle f^{\prime}(k)=10k-4k^3=2k(5-2k^2)=0을 풀면 k=0, ±52\displaystyle k=0,\ \pm\sqrt{\frac52}를 갖는다. f′(k)\displaystyle f^{\prime}(k)의 삼차다항식의 그래프로부터 k=±52\displaystyle k=\pm\sqrt{\frac52}에서 f(k)\displaystyle f(k)는 최댓값(극댓값)을 갖는다. 따라서 삼각형 OPQ\displaystyle OPQ의 최대 넓이는 k=±52\displaystyle k=\pm\sqrt{\frac52}에서 S(±52)=1\displaystyle S\left(\pm\sqrt{\frac52}\right)=1이다.

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