수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[나] 좌표평면 위의 두 점 A(x1,y1), B(x2,y2)\displaystyle \mathrm A(x_1,y_1),\ \mathrm B(x_2,y_2)에 대하여 선분 AB를 m:n (m>0,n>0)\displaystyle m:n\ (m>0,n>0)으로① 내분하는 점 P의 좌표는 (mx2+nx1m+n,my2+ny1m+n)\displaystyle \left(\frac{mx_2+nx_1}{m+n},\frac{my_2+ny_1}{m+n}\right)② 외분하는 점 Q의 좌표는 (mx2−nx1m−n,my2−ny1m−n)\displaystyle \left(\frac{mx_2-nx_1}{m-n},\frac{my_2-ny_1}{m-n}\right) (단, m≠n\displaystyle m\ne n)

[다] 일반적으로 두 변수 x,y\displaystyle x,y 사이의 관계가 변수 t\displaystyle t를 매개로 하여 x=f(t), y=g(t)\displaystyle x=f(t),\ y=g(t)와 같이 나타내어질 때, 변수 t\displaystyle t를 x,y\displaystyle x,y의 매개변수라 하고 두 함수 x=f(t), y=g(t)\displaystyle x=f(t),\ y=g(t)를 매개변수로 나타낸 함수라고 한다.

[논제 Ⅱ] 길이가 5인 막대가 좌표평면 위에서 움직인다. 막대의 한 쪽 끝점을 P, 다른 쪽 끝점을 R라 할 때, 선분 PR를 2:3\displaystyle 2:3으로 내분하는 막대 위의 점을 Q라 하자. 다음 물음에 답하시오. (단, 막대는 변형되지 않고, 그 두께는 무시한다.)

(1) 점 P가 점 (−4,0)\displaystyle (-4,0)에서 점 (4,0)\displaystyle (4,0)까지 x\displaystyle x축을 따라 움직인다. 점 P가 움직이는 동안 점 Q는 곡선 y=4−x2\displaystyle y=\sqrt{4-x^2}을 따라 움직인다고 할 때, 점 R가 그리는 곡선을 나타내는 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)를 구하고 그 근거를 논술하시오. (단, 점 P가 원점에 있을 때, 점 Q의 좌표는 (0,2)\displaystyle (0,2)이다.) (15점)

(2) (1)에서의 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프와 곡선 y=5−x2a\displaystyle y=5-\frac{x^2}a의 서로 다른 교점이 2개 이상이 되는 상수 a\displaystyle a의 범위를 구하고 그 근거를 논술하시오. (18점)

해설강의 준비중
+5점 · 점 Q의 좌표를 매개변수로 표현할 수 있다.

[논제 Ⅱ] (1) 점 Q가 곡선 y=4−x2\displaystyle y=\sqrt{4-x^2} 위를 움직이고, 선분 PQ의 길이가 2이므로, 점 P가 x\displaystyle x축을 따라 (−4,0)\displaystyle (-4,0)에서 (4,0)\displaystyle (4,0)까지 움직일 때, 점 Q는 곡선 y=4−x2\displaystyle y=\sqrt{4-x^2}을 따라 (−2,0)\displaystyle (-2,0)에서 (2,0)\displaystyle (2,0)까지 움직인다.

반원 위의 점 Q와 막대 PR의 위치

매개변수 t (−4≤t≤4)\displaystyle t\ (-4\le t\le4)를 이용하여 점 P의 위치를 P(t,0)\displaystyle \mathrm P(t,0)이라 하면, 점 Q의 위치는 PQ‾=OQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=\overline{\mathrm{OQ}}이므로 Q(t2,4−t24)\displaystyle \mathrm Q\left(\frac t2,\sqrt{4-\frac{t^2}4}\right)이다.

+5점 · 내분/외분점 개념을 이용하여 점 R의 좌표를 표현할 수 있다.

점 R는 선분 PQ를 5:3\displaystyle 5:3으로 외분하는 점이므로 제시문 [나]에 의해 R(−t4,524−t24)\displaystyle \mathrm R\left(-\frac t4,\frac52\sqrt{4-\frac{t^2}4}\right)이다.

+5점 · 매개변수로 표현된 함수로부터 관계식 y=51−x2\displaystyle y=5\sqrt{1-x^2}을 유도할 수 있다.

따라서 점 R의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표 사이의 관계식은 y=524−4x2\displaystyle y=\frac52\sqrt{4-4x^2}으로부터 y=51−x2(−1≤x≤1)\displaystyle y=5\sqrt{1-x^2}\quad(-1\le x\le1)

+7점 · 교점에 관한 이차방정식을 유도할 수 있다.

(2) y=5−x2a\displaystyle y=5-\frac{x^2}a에서 x2=a(5−y)\displaystyle x^2=a(5-y)를 y=51−x2\displaystyle y=5\sqrt{1-x^2}에 대입하면 y=51−5a+ay\displaystyle y=5\sqrt{1-5a+ay}이다. 양변을 제곱하여 정리하면 y2−25ay+125a−25=0\displaystyle y^2-25ay+125a-25=0이고,y2−25ay+5(25a−5)=(y−5)(y−25a+5)=0\displaystyle y^2-25ay+5(25a-5)=(y-5)(y-25a+5)=0이다. 따라서 y=5\displaystyle y=5 또는 y=25a−5\displaystyle y=25a-5이다.

+6점 · 교점을 가지는 범위를 구할 수 있다.

y=5\displaystyle y=5일 때는 교점 (0,5)\displaystyle (0,5)를 가진다. y=25a−5\displaystyle y=25a-5일 때는 y=51−x2\displaystyle y=5\sqrt{1-x^2}이 −1≤x≤1\displaystyle -1\le x\le1에서 0≤y≤5\displaystyle 0\le y\le5이므로 0≤25a−5≤5\displaystyle 0\le25a-5\le5이고, 따라서 15≤a≤25\displaystyle \frac15\le a\le\frac25이다.

+5점 · 교점의 개수를 확인할 수 있다.

a=25\displaystyle a=\frac25이면 y=5\displaystyle y=5가 되어서 교점이 (0,5)\displaystyle (0,5)이므로 서로 다른 교점을 갖기 위해서는 15≤a<25\displaystyle \frac15\le a<\frac25.

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