수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후) 3번

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문제

다음을 읽고 물음에 답하시오.

세 실수 a, b, c\displaystyle a,\ b,\ c와 세 점 A(c,0), B(−c,0), O(0,0)\displaystyle \mathrm A(c,0),\ \mathrm B(-c,0),\ \mathrm O(0,0)에 대하여, ∣OP→−OA→∣+∣OP→−OB→∣=b\displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{OP}}-\overrightarrow{\mathrm{OA}}|+|\overrightarrow{\mathrm{OP}}-\overrightarrow{\mathrm{OB}}|=b를 만족하는 점 P\displaystyle \mathrm P의 집합이 나타내는 곡선 C\displaystyle C와 직선 y=12x+a\displaystyle y=\frac1{\sqrt2}x+a는 만나지 않는다. 곡선 C\displaystyle C 위의 점 P\displaystyle \mathrm P와 직선 y=12x+a\displaystyle y=\frac1{\sqrt2}x+a 사이의 거리가 최소일 때 점 P\displaystyle \mathrm P의 x\displaystyle x좌표를 x1\displaystyle x_1이라 하고, 거리가 최대일 때 x\displaystyle x좌표를 x2\displaystyle x_2라 하자. (단, b>2c≥0\displaystyle b>2c\ge0이다.)

3-1) x1+x2\displaystyle x_1+x_2의 값을 구하고, 그 이유를 설명하시오. (10점)

3-2) x1x2=−b212\displaystyle x_1x_2=-\frac{b^2}{12}일 때, 곡선 C\displaystyle C의 길이를 ℓ\displaystyle \ell이라 하자. 이때, ℓb\displaystyle \frac\ell b의 값을 구하고, 그 이유를 설명하시오. (10점)

해설강의 준비중
+10점 · 벡터를 이용해서 표현된 식을 이해하고, 이차곡선과 직선과의 관계를 활용하여 두 교점의 x\displaystyle x좌표의 합을 구하는 과정과 이유를 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

3-1)∣OP→−OA→∣+∣OP→−OB→∣=b\displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{OP}}-\overrightarrow{\mathrm{OA}}|+|\overrightarrow{\mathrm{OP}}-\overrightarrow{\mathrm{OB}}|=b에서 점 P\displaystyle \mathrm P의 자취는 장축의 길이가 b\displaystyle b인 타원의 방정식이 된다.이때 단축의 길이를 2d\displaystyle 2d라고 하면, 구하는 방정식은 4x2b2+y2d2=1\displaystyle \frac{4x^2}{b^2}+\frac{y^2}{d^2}=1.타원의 방정식 4x2b2+y2d2=1\displaystyle \frac{4x^2}{b^2}+\frac{y^2}{d^2}=1에서 점 (x1,y1)\displaystyle (x_1,y_1)에서의 접선의 방정식은4x1xb2+y1yd2=1\displaystyle \frac{4x_1x}{b^2}+\frac{y_1y}{d^2}=1이 된다. 주어진 직선의 기울기가 12\displaystyle \frac1{\sqrt2}이므로, 접선의 방정식 중 기울기가 12\displaystyle \frac1{\sqrt2}인 경우를 생각해보면, y1=−42 d2x1b2\displaystyle y_1=-\frac{4\sqrt2\,d^2x_1}{b^2}을 얻는다. 이를 타원의 방정식에 대입하면 x12=b44b2+32d2\displaystyle x_1^2=\frac{b^4}{4b^2+32d^2}을 얻는다. 두 교점의 x\displaystyle x좌표인 x1\displaystyle x_1과 x2\displaystyle x_2는 이차방정식 x2−b44b2+32d2=0\displaystyle x^2-\frac{b^4}{4b^2+32d^2}=0의 두 근이 되므로, 근과 계수와의 관계에 의해 이다.Correction. 마지막 문장에 x1+x2=0\displaystyle x_1+x_2=0이 빠져 있다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.Correction. 여기서 ‘두 교점’은 주어진 직선과 평행한 두 접선의 접점을 가리킨다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+10점 · 주어진 조건을 이용하여, 장축과 단축의 길이가 같음을 이해하고, 그 이유를 논리적으로 설명하면 좋은 점수를 부여함

3-2)두 교점의 x\displaystyle x좌표의 곱 x1x2\displaystyle x_1x_2는 3-1)에서 구한 이차방정식x2−b44b2+32d2=0\displaystyle x^2-\frac{b^4}{4b^2+32d^2}=0의 두 해의 곱이 되므로, 근과 계수와의 관계에 의해 −b44b2+32d2\displaystyle -\frac{b^4}{4b^2+32d^2}이 된다. 문제에서 이 값이 −b212\displaystyle -\frac{b^2}{12}으로 주어졌으므로, d=b2\displaystyle d=\frac b2를 얻는다.Correction. 여기서 ‘두 교점’은 주어진 직선과 평행한 두 접선의 접점을 가리킨다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서, 타원의 방정식은 원의 방정식 x2+y2=(b2)2\displaystyle x^2+y^2=\left(\frac b2\right)^2이 되고, 반지름은 b2\displaystyle \frac b2이므로, 해당 곡선 ℓ\displaystyle \ell은 원의 둘레를 구하는 공식에 의해 bπ\displaystyle b\pi가 된다. 따라서, ℓb=π\displaystyle \frac\ell b=\pi.

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