고려대 세종캠퍼스 2024학년도 수시 약학과 4번 · mathesis.kr/archive/korea-sejong/2024su/yak_4
문제
다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

그림과 같이 직육면체 상자 내부에 밑면과 윗면을 연결하는 경사도가 인 경사면이 놓여 있다. 경사면은 가로가 6, 세로가 2인 직사각형이다. 이 경사면 위에 밑면의 반지름의 길이가 1이고 높이가 인 원뿔 3개를 나란히 놓고 직육면체의 윗면이 놓인 평면으로 이 원뿔을 절단한다. 이때 각각의 원뿔에 생기는 단면은 타원 이고, (타원 의 장축의 길이) < (타원 의 장축의 길이) < (타원 의 장축의 길이)이다.
[4-1] 타원 의 장축의 길이와 단축의 길이를 각각 구하시오. [45점]
[4-2] 타원 의 장축의 경사면 위로의 정사영의 길이와 단축의 경사면 위로의 정사영의 길이를 구하시오. [20점]
[4-3] 좌표평면 위에 중심이 원점이고 축 위의 두 점을 초점으로 하고 장축의 길이와 단축의 길이가 타원 과 같은 타원이 있다. 타원의 단축이 타원과 만나는 점을 라 할 때, 점에서의 접선 과 타원 위의 또 다른 서로 다른 두 점에서의 접선 의 교점들을 꼭짓점으로 하고 축에 대칭인 이등변삼각형이 있다. 두 접선 과 축으로 둘러싸인 부분의 넓이가 일 때, 두 접선 의 기울기의 곱을 구하시오. (단, ) [25점]
심화 원뿔곡선
고려대 세종캠퍼스 2024학년도 수시 약학과 4번 · mathesis.kr/archive/korea-sejong/2024su/yak_4
채점기준은 대학 공개 원문을 그대로 표시합니다.
[4-1]
경사면과 수평면이 이루는 각을 라 하면,, 이다.
| 타원 | 타원 | 타원 | |
|---|---|---|---|
| 장축의 길이 | |||
| 단축의 길이 |
타원 가 생기는 원뿔의 밑면 중심을 라 하자.그림과 같이 반지름이 인 세 밑면이 경사면을 채우므로,경사면의 위쪽 변에서 까지의 거리는 각각 이다.
(i) 장축의 길이각 원뿔의 축을 지나고 경사면의 가로 방향에 평행한 평면으로 자른다.이 평면에서 를 원점으로 하고,경사면을 따라 올라가는 방향을 축, 원뿔의 축 방향을 축으로 잡는다.높이가 , 밑면 반지름이 이므로 두 모선의 방정식은,이다.
수평 절단면은 축과 높이 에서 만나므로,이 평면에서 절단선의 방정식은이다.라 하면 두 모선과의 교점의 좌표는, 이다.
이 두 교점 사이의 길이를 라 하자.절단선과 축이 이루는 각이 이므로여기서 이고,, , 라 하면 이므로이다.
(ii) 단축의 길이절단선의 두 교점의 중점을 라 하자.수직단면에 대한 대칭성에 의해 는 타원의 중심이다.두 끝점의 좌표가 이므로,각각의 모선 방정식에 대입하면
를 지나고 원뿔의 밑면에 평행한 평면으로 자른 원의 반지름을 라 하면,닮음에 의하여이다.이 원과 수평 절단면의 교선은 타원의 중심 를 지나고 경사면의 폭 방향과 평행하다.원의 중심에서 이 교선까지의 거리는 이므로,그 현의 반길이를 라 하면 피타고라스 정리에 의하여이므로 가 장축, 가 단축의 길이이다.
따라서 세 타원의 장축과 단축의 길이는 각각 다음과 같다.
[4-2]타원 의 장축은 경사면의 가로 방향을 포함한 수직단면 위에 있으므로,장축의 경사면 위 정사영의 길이는
단축은 경사면의 폭 방향과 평행하므로 정사영하여도 길이가 변하지 않는다.따라서 단축의 정사영의 길이는 이다.
[4-3]타원의 장반축과 단반축의 길이를 각각 라 하면, 이므로 타원의 방정식은이다.점 에서의 접선은 이다.
나머지 두 접선은 축에 대칭이므로, 로 둘 수 있다.를 타원의 방정식에 대입하여 얻는 이차방정식은이다.접하므로 판별식이 이고, 이를 정리하면 이다.
두 접선의 교점은 , 축과의 교점은 , 이므로,이 세 점으로 이루어진 삼각형의 넓이는이다.따라서 주어진 넓이 조건은이다.
판별식은 이고, 두 근의 합과 곱이 모두 양수이므로 서로 다른 두 양의 근을 얻는다.
두 근 모두 실제로 조건을 만족한다.각 근에 대하여 로 잡으면,세 접선 이 만드는 삼각형의 꼭짓점은, , 이다.따라서 두 경우 모두 축에 대칭인 이등변삼각형을 이루며,두 접선과 축으로 둘러싸인 부분의 넓이도 주어진 값과 같다.
그러므로 구하는 두 접선의 기울기의 곱은 다음 두 값이다.
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