수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

제시문 1

(가) 평면 위에서 두 정점 F\displaystyle F와 F′\displaystyle F^{\prime}으로부터 거리의 합이 일정한 점들의 집합을 타원이라고 한다. 이때, 두 정점 F\displaystyle F와 F′\displaystyle F^{\prime}을 타원의 초점이라고 한다. 두 초점 F(−c,0)\displaystyle F(-c,0), F′(c,0)\displaystyle F^{\prime}(c,0)으로부터의 거리의 합이 2a\displaystyle 2a인 타원의 방정식은 x2a2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1이다. (단, a>b>0, b2=a2−c2\displaystyle a>b>0,\ b^2=a^2-c^2)

(나) 평면 위의 두 점 A(x1,y1),B(x2,y2)\displaystyle A(x_1,y_1),B(x_2,y_2)에 대하여 선분 AB\displaystyle AB의 중점 M\displaystyle M의 좌표는 M(x1+x22,y1+y22)\displaystyle M\left(\frac{x_1+x_2}{2},\frac{y_1+y_2}{2}\right)이다.

(다) [그림 1]은 정점 F\displaystyle F와 F′\displaystyle F^{\prime}을 초점으로 하는 타원을 나타낸 것이다. 점 A\displaystyle A와 점 B\displaystyle B는 타원 위의 점이고, 두 점을 연결한 직선은 점 F′\displaystyle F^{\prime}을 지난다.

초점 F와 F′을 갖는 타원과 F′을 지나는 현 AB
[그림 1]

문제 1-1[그림 1]의 타원의 방정식이 x29+y24=1\displaystyle \frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{4}=1이라고 하자. ∠FAB=π2\displaystyle \angle FAB=\frac\pi2가 되는 삼각형 FAB\displaystyle FAB의 넓이를 S\displaystyle S라 하자. S\displaystyle S의 값을 모두 구하고 풀이과정을 쓰시오. (단, 점 A\displaystyle A의 y\displaystyle y좌표는 양수)

문제 1-2[그림 1]의 타원의 방정식이 x22+y2=1\displaystyle \frac{x^2}{2}+y^2=1이라고 하자. 선분 AB\displaystyle AB의 중점을 M\displaystyle M이라 할 때, 직선 FM\displaystyle FM의 기울기의 최댓값을 구하고 풀이과정을 쓰시오.

해설강의 준비중

[1-1]답: 6, 245\displaystyle 6,\ \frac{24}{5}

풀이:

타원 위의 직각삼각형 A F F′과 길이 a, b

x29+y24=1\displaystyle \frac{x^2}{9}+\frac{y^2}{4}=1의 장축의 꼭짓점은 (±3,0)\displaystyle (\pm3,0)이다. 그러므로 타원의 한 점에서 두 초점까지의 거리의 합은 항상 6이다. 이제 FA‾=a, F′A‾=b\displaystyle \overline{FA}=a,\ \overline{F^{\prime}A}=b라 하자. 점 A\displaystyle A에서 두 초점에 이르는 거리의 합이 6이고 △AFF′\displaystyle \triangle AFF^{\prime}이 직각삼각형이라는 사실로부터 다음의 두 방정식을 얻는다.a+b=6\displaystyle a+b=6a2+b2=(25)2=20\displaystyle a^2+b^2=(2\sqrt5)^2=20연립하여 풀면 a=4,b=2\displaystyle a=4,b=2와 a=2,b=4\displaystyle a=2,b=4인 두 경우가 나온다.

경우(1): FA‾=4, F′A‾=2\displaystyle \overline{FA}=4,\ \overline{F^{\prime}A}=2인 경우

FA=4, F′A=2일 때 타원 위의 삼각형과 길이 x, y

FB‾=x, F′B‾=y\displaystyle \overline{FB}=x,\ \overline{F^{\prime}B}=y라 하자. 점 B\displaystyle B에서 두 초점에 이르는 거리의 합이 6이고 △FAB\displaystyle \triangle FAB가 직각삼각형이라는 사실로부터 다음의 두 방정식을 얻는다.x+y=6\displaystyle x+y=642+(2+y)2=x2\displaystyle 4^2+(2+y)^2=x^2연립하여 풀어 y=1\displaystyle y=1을 얻는다. 따라서 △FAB\displaystyle \triangle FAB의 넓이 S=12⋅4⋅(2+1)=6\displaystyle S=\frac12\cdot4\cdot(2+1)=6이다.

경우(2): FA‾=2, F′A‾=4\displaystyle \overline{FA}=2,\ \overline{F^{\prime}A}=4인 경우

FA=2, F′A=4일 때 타원 위의 삼각형과 길이 x, y

경우 (1)과 같이 하여 아래의 방정식을 얻는다.x+y=6\displaystyle x+y=622+(4+y)2=x2\displaystyle 2^2+(4+y)^2=x^2연립하여 풀어 y=45\displaystyle y=\frac45를 얻는다. 따라서 △FAB\displaystyle \triangle FAB의 넓이 S=12⋅2⋅(4+45)=245\displaystyle S=\frac12\cdot2\cdot\left(4+\frac45\right)=\frac{24}{5}이다.

경우 (1)과 (2)로부터 S\displaystyle S의 값은 6 또는 245\displaystyle \frac{24}{5}이다.

[1-2]답: 14\displaystyle \frac14

풀이:

초점 F′을 지나는 현 AB의 중점 M과 초점 F

점 F′\displaystyle F^{\prime}을 지나는 직선 AB\displaystyle AB의 방정식을 y=m(x−1)\displaystyle y=m(x-1)이라고 하자. 점 A\displaystyle A와 점 B\displaystyle B는 타원 위의 점이므로 타원의 방정식 x2+2y2=2\displaystyle x^2+2y^2=2를 만족한다. 두 방정식 y=m(x−1)\displaystyle y=m(x-1)과 x2+2y2=2\displaystyle x^2+2y^2=2를 연립하면 x2+2m2(x−1)2=2\displaystyle x^2+2m^2(x-1)^2=2이다. 이를 정리하여 (1+2m2)x2−4m2x+(2m2−2)=0\displaystyle (1+2m^2)x^2-4m^2x+(2m^2-2)=0을 얻는다. 이 방정식의 두 근 x=2m2±2+2m21+2m2\displaystyle x=\frac{2m^2\pm\sqrt{2+2m^2}}{1+2m^2}은 각각 점 A\displaystyle A와 점 B\displaystyle B의 x\displaystyle x좌표이다. 따라서 점 M\displaystyle M의 x\displaystyle x좌표는12(2m2+2+2m21+2m2+2m2−2+2m21+2m2)=2m21+2m2\displaystyle \frac12\left(\frac{2m^2+\sqrt{2+2m^2}}{1+2m^2}+\frac{2m^2-\sqrt{2+2m^2}}{1+2m^2}\right)=\frac{2m^2}{1+2m^2}이다. 그러므로 점 M\displaystyle M의 좌표는 M(2m21+2m2,−m1+2m2)\displaystyle M\left(\frac{2m^2}{1+2m^2},\frac{-m}{1+2m^2}\right)이다.

이제 직선 FM\displaystyle FM의 기울기를 f(m)\displaystyle f(m)이라 하자. 초점 F\displaystyle F의 좌표가 F(−1,0)\displaystyle F(-1,0)이므로f(m)=−m1+2m2−02m21+2m2−(−1)=−m1+4m2\displaystyle f(m)=\frac{\frac{-m}{1+2m^2}-0}{\frac{2m^2}{1+2m^2}-(-1)}=\frac{-m}{1+4m^2}이다.

f′(m)=4m2−1(1+4m2)2\displaystyle f^{\prime}(m)=\frac{4m^2-1}{(1+4m^2)^2}이고, f′(m)=0\displaystyle f^{\prime}(m)=0에서 m=±12\displaystyle m=\pm\frac12을 얻는다. f′(m)\displaystyle f^{\prime}(m)의 부호를 조사하면 f(m)\displaystyle f(m)이 m=−12\displaystyle m=-\frac12일 때 최댓값을 가짐을 알 수 있다. 따라서 최댓값은 f(−12)=14\displaystyle f\left(-\frac12\right)=\frac14이다.

하위 문항채점 기준배점
1-1F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음
1-1E: a+b=6\displaystyle a+b=6과 a2+b2=20\displaystyle a^2+b^2=20 중 하나를 적음
1-1D: a+b=6\displaystyle a+b=6과 a2+b2=20\displaystyle a^2+b^2=20 둘 모두 적음
1-1C: D와 더불어, a=4,b=2\displaystyle a=4,b=2 또는 a=2,b=4\displaystyle a=2,b=4를 구함
1-1B: C와 더불어, 풀이에 있는 경우 (1)과 경우 (2) 중 한 경우에 대하여 x,y\displaystyle x,y에 대한 식 2개를 구함
1-1B+: B와 더불어, x,y\displaystyle x,y에 대한 두 식을 연립하여 풀어 S\displaystyle S의 값 6과 245\displaystyle \frac{24}{5} 중 한 개를 구함
1-1A: B+와 더불어, 두 번째 경우에 대하여 x,y\displaystyle x,y에 대한 식 두 개를 구함
1-1A+: A와 더불어, 두 번째 경우에 대하여 x,y\displaystyle x,y에 대한 식을 연립하여 풀어 S\displaystyle S의 값 6과 245\displaystyle \frac{24}{5} 중 나머지 한 개 또한 구함
1-2F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음
1-2E: 두 초점의 좌표 (1,0), (−1,0)\displaystyle (1,0),\ (-1,0)을 구함
1-2D: 직선 AB\displaystyle AB의 방정식을 y=m(x−1)\displaystyle y=m(x-1)로 놓음
1-2C: D와 더불어, 중점 M\displaystyle M의 좌표를 m\displaystyle m에 대한 식으로 구함. 또는 점 A\displaystyle A와 점 B\displaystyle B의 좌표를 m\displaystyle m에 대한 식으로 구함
1-2B: C와 더불어, 직선 FM\displaystyle FM의 기울기의 식을 m\displaystyle m에 대한 식으로 구하였으나 식이 틀림
1-2B+: C와 더불어, 직선 FM\displaystyle FM의 기울기의 식 f(m)=−m1+4m2\displaystyle f(m)=\frac{-m}{1+4m^2}을 구함
1-2A: B+와 더불어, 최댓값을 구하였으나 값이 틀림
1-2A+: B+와 더불어, 최댓값 14\displaystyle \frac14을 구함

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