+3점 · x 2 − x 1 = 2 \displaystyle x_2-x_1=2 x 2 − x 1 = 2 를 구했으면 [1] (1) 직선 l \displaystyle l l 의 방정식을 y = 2 a x + b \displaystyle y=2ax+b y = 2 a x + b 라 하고 포물선의 방정식과 연립하면 다음을 얻는다.
x 2 − 4 x = 2 a x + b ⇒ x 2 − ( 4 + 2 a ) x − b = 0 \displaystyle x^2-4x=2ax+b\quad\Rightarrow\quad x^2-(4+2a)x-b=0 x 2 − 4 x = 2 a x + b ⇒ x 2 − ( 4 + 2 a ) x − b = 0
두 점 A , B \displaystyle A,B A , B 의 x \displaystyle x x 좌표가 x 1 , x 2 \displaystyle x_1,x_2 x 1 , x 2 (x 1 < x 2 \displaystyle x_1<x_2 x 1 < x 2 )라 하면 제시문 2로부터 다음을 얻는다.
4 3 = ∫ x 1 x 2 { ( 2 a x + b ) − ( x 2 − 4 x ) } d x = ( x 2 − x 1 ) 3 6 ⇒ x 2 − x 1 = 2 \displaystyle \dfrac43=\int_{x_1}^{x_2}\{(2ax+b)-(x^2-4x)\}\,dx=\dfrac{(x_2-x_1)^3}6\quad\Rightarrow\quad x_2-x_1=2 3 4 = ∫ x 1 x 2 {( 2 a x + b ) − ( x 2 − 4 x )} d x = 6 ( x 2 − x 1 ) 3 ⇒ x 2 − x 1 = 2
+2점 · x 1 + x 2 = 4 + 2 a , x 1 x 2 = − b \displaystyle x_1+x_2=4+2a,~x_1x_2=-b x 1 + x 2 = 4 + 2 a , x 1 x 2 = − b 를 구했으면 한편, 근과 계수의 관계로부터 다음을 얻는다.
x 1 + x 2 = 4 + 2 a , x 1 x 2 = − b \displaystyle x_1+x_2=4+2a,\quad x_1x_2=-b x 1 + x 2 = 4 + 2 a , x 1 x 2 = − b
+2점 · b = − ( a + 1 ) ( a + 3 ) \displaystyle b=-(a+1)(a+3) b = − ( a + 1 ) ( a + 3 ) 을 구했으면 위에서 얻은 식들을 연립하여 계산하면 x 1 , x 2 \displaystyle x_1,x_2 x 1 , x 2 와 b \displaystyle b b 는 다음과 같다.
x 1 = a + 1 , x 2 = a + 3 , b = − ( a + 1 ) ( a + 3 ) \displaystyle x_1=a+1,\quad x_2=a+3,\quad b=-(a+1)(a+3) x 1 = a + 1 , x 2 = a + 3 , b = − ( a + 1 ) ( a + 3 )
+2점 · y = 2 a x − ( a + 1 ) ( a + 3 ) \displaystyle y=2ax-(a+1)(a+3) y = 2 a x − ( a + 1 ) ( a + 3 ) 을 구했으면 따라서 직선 l \displaystyle l l 의 방정식은 y = 2 a x − ( a + 1 ) ( a + 3 ) \displaystyle y=2ax-(a+1)(a+3) y = 2 a x − ( a + 1 ) ( a + 3 ) 이다.
+3점 · x 0 = x 1 + x 2 2 = a + 2 , y 0 = 2 a x 0 − ( a + 1 ) ( a + 3 ) \displaystyle x_0=\dfrac{x_1+x_2}2=a+2,~y_0=2ax_0-(a+1)(a+3) x 0 = 2 x 1 + x 2 = a + 2 , y 0 = 2 a x 0 − ( a + 1 ) ( a + 3 ) 을 구했으면 (2) (1)에서 얻은 식들로부터 중점 M \displaystyle M M 의 좌표 x 0 \displaystyle x_0 x 0 과 y 0 \displaystyle y_0 y 0 은 다음과 같다.
x 0 = x 1 + x 2 2 = a + 2 , y 0 = 2 a x 0 − ( a + 1 ) ( a + 3 ) \displaystyle x_0=\dfrac{x_1+x_2}2=a+2,\quad y_0=2ax_0-(a+1)(a+3) x 0 = 2 x 1 + x 2 = a + 2 , y 0 = 2 a x 0 − ( a + 1 ) ( a + 3 )
+3점 · y = x 2 − 4 x + 1 \displaystyle y=x^2-4x+1 y = x 2 − 4 x + 1 을 구했으면 a = x 0 − 2 \displaystyle a=x_0-2 a = x 0 − 2 를 위의 두 번째 식에 대입하면 다음을 얻는다.
y 0 = 2 ( x 0 − 2 ) x 0 − ( x 0 − 1 ) ( x 0 + 1 ) = 2 x 0 2 − 4 x 0 − ( x 0 2 − 1 ) = x 0 2 − 4 x 0 + 1 \displaystyle \begin{aligned}y_0&=2(x_0-2)x_0-(x_0-1)(x_0+1)\\&=2x_0^2-4x_0-(x_0^2-1)\\&=x_0^2-4x_0+1\end{aligned} y 0 = 2 ( x 0 − 2 ) x 0 − ( x 0 − 1 ) ( x 0 + 1 ) = 2 x 0 2 − 4 x 0 − ( x 0 2 − 1 ) = x 0 2 − 4 x 0 + 1
따라서 도형의 방정식은 y = x 2 − 4 x + 1 \displaystyle y=x^2-4x+1 y = x 2 − 4 x + 1 이다.
+3점 · ( 선분 A B 의 길이 ) = 3 5 \displaystyle (\text{선분 }AB\text{의 길이})=3\sqrt5 ( 선분 A B 의 길이 ) = 3 5 를 구했으면 [2] (1) 선분 A B \displaystyle AB A B 의 길이는 피타고라스 정리를 이용하여 계산하면 다음과 같다.
( 선분 A B 의 길이 ) = ( 7 − 1 ) 2 + ( 2 − 5 ) 2 = 45 = 3 5 \displaystyle (\text{선분 }AB\text{의 길이})=\sqrt{(7-1)^2+(2-5)^2}=\sqrt{45}=3\sqrt5 ( 선분 A B 의 길이 ) = ( 7 − 1 ) 2 + ( 2 − 5 ) 2 = 45 = 3 5
+3점 · 선분 A B \displaystyle AB A B 를 s : ( 1 − s ) \displaystyle s:(1-s) s : ( 1 − s ) 로 내분하는 점을 Q \displaystyle Q Q 라 할 때 O P → = 1 3 O Q → \displaystyle \overrightarrow{OP}=\dfrac13\overrightarrow{OQ} O P = 3 1 O Q 가 성립함을 보였으면 (2) 선분 A B \displaystyle AB A B 를 s : ( 1 − s ) \displaystyle s:(1-s) s : ( 1 − s ) 로 내분하는 점을 Q \displaystyle Q Q 라 하면 다음이 성립한다.
P Q → = ( 1 − s ) P A → + s P B → \displaystyle \overrightarrow{PQ}=(1-s)\overrightarrow{PA}+s\overrightarrow{PB} P Q = ( 1 − s ) P A + s P B
이를 주어진 식에 대입하면 다음을 얻는다.
2 O P → = P Q → = P O → + O Q → ⇒ O P → = 1 3 O Q → \displaystyle 2\overrightarrow{OP}=\overrightarrow{PQ}=\overrightarrow{PO}+\overrightarrow{OQ}\quad\Rightarrow\quad\overrightarrow{OP}=\dfrac13\overrightarrow{OQ} 2 O P = P Q = P O + O Q ⇒ O P = 3 1 O Q
+3점 · 선분 O A \displaystyle OA O A 를 1 : 2 \displaystyle 1:2 1 : 2 로 내분하는 점을 A ′ \displaystyle A^{\prime} A ′ , 선분 O B \displaystyle OB O B 를 1 : 2 \displaystyle 1:2 1 : 2 로 내분하는 점을 B ′ \displaystyle B^{\prime} B ′ 일 때 점 P \displaystyle P P 가 그리는 선분은 선분 A ′ B ′ \displaystyle A^{\prime}B^{\prime} A ′ B ′ 임을 설명했으면 따라서, 세 점 O , P , Q \displaystyle O,P,Q O , P , Q 는 동일 직선 위에 있다. 또한 점 P \displaystyle P P 는 선분 O Q \displaystyle OQ O Q 를 1 : 2 \displaystyle 1:2 1 : 2 로 내분하는 점임을 알 수 있다. s \displaystyle s s 가 0 ≤ s ≤ 1 \displaystyle 0\le s\le1 0 ≤ s ≤ 1 이므로 Q \displaystyle Q Q 는 선분 A B \displaystyle AB A B 에서 움직이는 점이다. 그러므로 선분 O A \displaystyle OA O A 를 1 : 2 \displaystyle 1:2 1 : 2 로 내분하는 점을 A ′ \displaystyle A^{\prime} A ′ , 선분 O B \displaystyle OB O B 를 1 : 2 \displaystyle 1:2 1 : 2 로 내분하는 점을 B ′ \displaystyle B^{\prime} B ′ 이라 하면 점 P \displaystyle P P 가 그리는 선분은 선분 A ′ B ′ \displaystyle A^{\prime}B^{\prime} A ′ B ′ 이다. 한편 △ O A ′ B ′ \displaystyle \triangle OA^{\prime}B^{\prime} △ O A ′ B ′ 과 △ O A B \displaystyle \triangle OAB △ O A B 의 닮음비로부터 다음을 얻는다.
A ′ B ′ ‾ A B ‾ = 1 3 \displaystyle \dfrac{\overline{A^{\prime}B^{\prime}}}{\overline{AB}}=\dfrac13 A B A ′ B ′ = 3 1
+3점 · ( 점 P 가 그리는 선분의 길이 ) = 5 \displaystyle (\text{점 }P\text{가 그리는 선분의 길이})=\sqrt5 ( 점 P 가 그리는 선분의 길이 ) = 5 를 구했으면 따라서 선분 A ′ B ′ \displaystyle A^{\prime}B^{\prime} A ′ B ′ 의 길이, 즉 점 P \displaystyle P P 가 그리는 선분의 길이는 다음과 같다.
( 점 P 가 그리는 선분의 길이 ) = 3 5 × 1 3 = 5 \displaystyle (\text{점 }P\text{가 그리는 선분의 길이})=3\sqrt5\times\dfrac13=\sqrt5 ( 점 P 가 그리는 선분의 길이 ) = 3 5 × 3 1 = 5
+3점 · C D ‾ \displaystyle \overline{CD} C D 의 중점을 M \displaystyle M M 이라 할 때 A M ‾ = 1 , B M ‾ = 2 \displaystyle \overline{AM}=1,~\overline{BM}=2 A M = 1 , B M = 2 를 구했으면 [3] (1) △ A C D \displaystyle \triangle ACD △ A C D 와 △ B C D \displaystyle \triangle BCD △ B C D 는 이등변 삼각형이다. 그러므로 C D \displaystyle CD C D 의 중점을 M \displaystyle M M 이라 하면 다음을 얻는다.
A M ‾ = 1 , B M ‾ = 2 , A M ‾ ⊥ C D ‾ , B M ‾ ⊥ C D ‾ \displaystyle \overline{AM}=1,\quad\overline{BM}=2,\quad\overline{AM}\perp\overline{CD},\quad\overline{BM}\perp\overline{CD} A M = 1 , B M = 2 , A M ⊥ C D , B M ⊥ C D
+4점 · 사면체 A B C D \displaystyle ABCD A B C D 의 부피가 1 3 × C D ‾ × ( △ A B M 의 넓이 ) \displaystyle \dfrac13\times\overline{CD}\times(\triangle ABM\text{의 넓이}) 3 1 × C D × ( △ A B M 의 넓이 ) 임을 설명하였으면 이로부터 △ A B M \displaystyle \triangle ABM △ A B M 을 포함하는 평면은 변 C D \displaystyle CD C D 에 수직임을 알 수 있다. 그러므로 사면체 A B C D \displaystyle ABCD A B C D 의 부피는 다음과 같이 구할 수 있다.
( 사면체 A B C D 의 부피 ) = 1 3 × C D ‾ × ( △ A B M 의 넓이 ) ⋯ ① \displaystyle (\text{사면체 }ABCD\text{의 부피})=\dfrac13\times\overline{CD}\times(\triangle ABM\text{의 넓이})\quad\cdots\text{①} ( 사면체 A B C D 의 부피 ) = 3 1 × C D × ( △ A B M 의 넓이 ) ⋯ ①
+4점 · △ A B M \displaystyle \triangle ABM △ A B M 의 넓이 − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) 4 \displaystyle \dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}4 4 − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) 를 구했으면 △ A B M \displaystyle \triangle ABM △ A B M 에서 꼭지점 A \displaystyle A A 에서 변 B M \displaystyle BM B M 에 내린 수선의 발을 H \displaystyle H H 라 하자. x \displaystyle x x 는 선분 A H \displaystyle AH A H 의 길이, B H ‾ = b \displaystyle \overline{BH}=b B H = b 라 하면 M H ‾ = 2 − b \displaystyle \overline{MH}=2-b M H = 2 − b (또는 b − 2 \displaystyle b-2 b − 2 )이므로 피타고라스 정리에 의해 다음을 얻는다.
a 2 = x 2 + b 2 , 1 = x 2 + ( 2 − b ) 2 \displaystyle a^2=x^2+b^2,\quad1=x^2+(2-b)^2 a 2 = x 2 + b 2 , 1 = x 2 + ( 2 − b ) 2
연립 방정식을 풀면 다음과 같다.
b = a 2 + 3 4 , x 2 = − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) 16 , x = − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) 4 \displaystyle b=\dfrac{a^2+3}4,\quad x^2=\dfrac{-(a^4-10a^2+9)}{16},\quad x=\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}4 b = 4 a 2 + 3 , x 2 = 16 − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) , x = 4 − ( a 4 − 10 a 2 + 9 )
그러므로 △ A B M \displaystyle \triangle ABM △ A B M 의 넓이는 다음과 같다.
1 2 × 2 × − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) 4 = − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) 4 \displaystyle \dfrac12\times2\times\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}4=\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}4 2 1 × 2 × 4 − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) = 4 − ( a 4 − 10 a 2 + 9 )
+4점 · V = − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) 6 \displaystyle V=\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}6 V = 6 − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) 를 구했으면 이제 식 ①을 이용하면 부피 V \displaystyle V V 는 다음과 같다.
V = 1 3 × 2 × − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) 4 = − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) 6 \displaystyle V=\dfrac13\times2\times\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}4=\dfrac{\sqrt{-(a^4-10a^2+9)}}6 V = 3 1 × 2 × 4 − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) = 6 − ( a 4 − 10 a 2 + 9 ) .
+4점 · 1 < a 2 < 9 \displaystyle 1<a^2<9 1 < a 2 < 9 를 구했으면 (2) V \displaystyle V V 가 값을 가지려면 근호 안의 값이 양수이어야 하므로 다음 부등식을 얻는다.
a 4 − 10 a 2 + 9 = ( a 2 − 1 ) ( a 2 − 9 ) < 0 \displaystyle a^4-10a^2+9=(a^2-1)(a^2-9)<0 a 4 − 10 a 2 + 9 = ( a 2 − 1 ) ( a 2 − 9 ) < 0
이로부터 a 2 \displaystyle a^2 a 2 의 범위는 다음과 같다.
1 < a 2 < 9 \displaystyle 1<a^2<9 1 < a 2 < 9
+4점 · V \displaystyle V V 의 최댓값 2 3 \displaystyle \dfrac23 3 2 를 구했으면 한편 근호 안의 식은 − ( a 2 − 5 ) 2 + 16 \displaystyle -(a^2-5)^2+16 − ( a 2 − 5 ) 2 + 16 이므로 V \displaystyle V V 의 최댓값은 다음과 같다.
16 6 = 2 3 \displaystyle \dfrac{\sqrt{16}}6=\dfrac23 6 16 = 3 2