수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[가] 두 초점 F(c,0), F′(−c,0)\displaystyle \mathrm F(c,0),\ \mathrm F^{\prime}(-c,0)으로부터의 거리의 차가 2a (c>a>0)\displaystyle 2a\ (c>a>0)인 쌍곡선의 방정식은x2a2−y2b2=1(단, b2=c2−a2)\displaystyle \frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1\quad(\text{단, }b^2=c^2-a^2)[나] 점 P(x1,y1)\displaystyle \mathrm P(x_1,y_1)과 직선 ax+by+c=0\displaystyle ax+by+c=0 사이의 거리 d\displaystyle d는d=∣ax1+by1+c∣a2+b2\displaystyle d=\frac{|ax_1+by_1+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}

[논제 Ⅰ] 쌍곡선 x2a2−y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1 위의 점 P(x1,y1)\displaystyle \mathrm P(x_1,y_1)과 Q(x2,y2)\displaystyle \mathrm Q(x_2,y_2)에 대하여 다음 물음에 답하시오. (단, 점 P와 Q는 각각 제1, 2사분면 위에 있다.)

(1) 양수 c\displaystyle c에 대하여 쌍곡선의 두 초점을 각각 F(c,0), F′(−c,0)\displaystyle \mathrm F(c,0),\ \mathrm F^{\prime}(-c,0)이라 할 때, 삼각형 QFF′\displaystyle \mathrm{QFF}^{\prime}과 삼각형 PQF의 넓이를 각각 구하고, 그 근거를 논술하시오. (14점)

(2) y1=t, y2=1\displaystyle y_1=t,\ y_2=1이라 하자. 이때, 삼각형 PQF와 삼각형 PFF′\displaystyle \mathrm{PFF}^{\prime}의 넓이의 비를 R(t)=△PQF△PFF′\displaystyle R(t)=\frac{\triangle\mathrm{PQF}}{\triangle\mathrm{PFF}^{\prime}}라 하자. 극한값 lim⁡t→∞R(t)\displaystyle \lim_{t\to\infty}R(t)을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (16점)

해설강의 준비중
+4점 · 삼각형 QFF′의 넓이를 구함.

[논제 Ⅰ] (1) 삼각형 QFF′\displaystyle \mathrm{QFF}^{\prime}의 넓이는 12×2c×y2=cy2\displaystyle \frac12\times2c\times y_2=cy_2 이다.

+10점 · 삼각형 PQF의 넓이를 구함.

한편, 점 P에서 선분 QF에 내린 수선의 발을 H라 하면, 삼각형 PQF의 넓이는 12×PH‾×QF‾\displaystyle \frac12\times\overline{\mathrm{PH}}\times\overline{\mathrm{QF}}이다. 그런데, QF‾=(c−x2)2+y22\displaystyle \overline{\mathrm{QF}}=\sqrt{(c-x_2)^2+y_2^2}이고, 점 Q와 점 F를 지나는 직선의 방정식은 y=−y2c−x2(x−c)\displaystyle y=\frac{-y_2}{c-x_2}(x-c)이다. 따라서, 점과 직선사이의 거리공식에 의하여PH‾=∣y2x1+(c−x2)y1−y2c∣y22+(c−x2)2\displaystyle \overline{\mathrm{PH}}=\frac{|y_2x_1+(c-x_2)y_1-y_2c|}{\sqrt{y_2^2+(c-x_2)^2}}그러므로,△PQF=12×(c−x2)2+y22×∣x1y2−x2y1+c(y1−y2)∣(c−x2)2+y22=12∣x1y2−x2y1+c(y1−y2)∣\displaystyle \triangle\mathrm{PQF}=\frac12\times\sqrt{(c-x_2)^2+y_2^2}\times\frac{|x_1y_2-x_2y_1+c(y_1-y_2)|}{\sqrt{(c-x_2)^2+y_2^2}}=\frac12|x_1y_2-x_2y_1+c(y_1-y_2)|

+3점 · 삼각형 PFF′의 넓이를 구함.

(2) y1=t, y2=1\displaystyle y_1=t,\ y_2=1이므로, x1\displaystyle x_1과 x2\displaystyle x_2는 각각x1=a2+a2b2t2,x2=−a2+a2b2\displaystyle x_1=\sqrt{a^2+\frac{a^2}{b^2}t^2},\quad x_2=-\sqrt{a^2+\frac{a^2}{b^2}}따라서, 삼각형 PFF′\displaystyle \mathrm{PFF}^{\prime}의 넓이는 12×2c×t=ct\displaystyle \frac12\times2c\times t=ct이고,

+3점 · 삼각형 PQF의 넓이를 구함.

삼각형 PQF의 넓이는 (1)에 의해12∣a2+a2b2t2+a2+a2b2t+c(t−1)∣\displaystyle \frac12\left|\sqrt{a^2+\frac{a^2}{b^2}t^2}+\sqrt{a^2+\frac{a^2}{b^2}}t+c(t-1)\right|

+3점 · R(t)\displaystyle R(t)를 올바르게 구함.

그러므로, 특히 t>1\displaystyle t>1일 때,R(t)=12(a2+a2b2t2+a2+a2b2t+c(t−1))ct=12(a1+t2b2+a1+1b2t+c(t−1))ct\displaystyle R(t)=\frac{\frac12\left(\sqrt{a^2+\frac{a^2}{b^2}t^2}+\sqrt{a^2+\frac{a^2}{b^2}}t+c(t-1)\right)}{ct}=\frac{\frac12\left(a\sqrt{1+\frac{t^2}{b^2}}+a\sqrt{1+\frac1{b^2}}t+c(t-1)\right)}{ct}

+7점 · lim⁡t→∞R(t)\displaystyle \lim_{t\to\infty}R(t)를 올바르게 구함.

이고, 따라서lim⁡t→∞R(t)=12(ab+a1+1b2+c)c=12+a2bc+a2c1+1b2\displaystyle \lim_{t\to\infty}R(t)=\frac{\frac12\left(\frac ab+a\sqrt{1+\frac1{b^2}}+c\right)}c=\frac12+\frac a{2bc}+\frac a{2c}\sqrt{1+\frac1{b^2}}

답안에 c\displaystyle c 대신 a2+b2\displaystyle \sqrt{a^2+b^2}을 사용해도 정답으로 인정

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