수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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[1-1]

포물선의 점 P에서 그은 접선과 초점 F
+2점 · 포물선의 정의를 이용하여 PF=PH=x1+p\displaystyle \overline{\mathrm{PF}} = \overline{\mathrm{PH}} = x_{1} + p 를 구할 수 있다.

P\displaystyle \mathrm{P}에서 준선 x=p\displaystyle x = - p에 내린 수선의 발을 H\displaystyle \mathrm{H}라 하면 포물선의 정의에 의해서PF=PH=x1+p\displaystyle \overline{\mathrm{PF}}=\overline{\mathrm{PH}}=x_1+p

+3점 · 접선의 방정식 y=2py1(xx1)+y1\displaystyle y = \frac{{2 p}}{y_{1}} ( x - x_{1} ) + y_{1}을 구할 수 있다.

이다. 또한, 포물선 y2=4px\displaystyle y^2=4px을 미분하면 2ydydx=4p\displaystyle 2y\frac{dy}{dx}=4p이므로 dydx=2py\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{2p}y이 되어[제시문 (다)]에 의해서 포물선 y2=4px\displaystyle y^2=4px 위의 점 P(x1,y1)\displaystyle \mathrm{P}(x_1,y_1)에서의 접선의 기울기는 dydx=2py1\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{2p}{y_1}이고[제시문 (가)]에 의해서 P(x1,y1)\displaystyle \mathrm{P}(x_1,y_1)에서의 접선의 방정식은 y=2py1(xx1)+y1\displaystyle y=\frac{2p}{y_1}(x-x_1)+y_1이다.

+2점 · FP=x1+p\displaystyle \overline{\mathrm{FP}^{\prime}} = x_{1} + p

따라서 점 P\displaystyle \mathrm{P}^{\prime}x\displaystyle x좌표가 x1\displaystyle - x_{1}이므로FP=x1+p\displaystyle \overline{\mathrm{FP}^{\prime}} = x_{1} + p이다. 그러므로 삼각형 FPP\displaystyle \mathrm{FPP}^{\prime}FP=FP\displaystyle \overline{\mathrm{FP}^{\prime}} = \overline{\mathrm{FP}}인 이등변삼각형이다.

+2점 · 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 나타내는 도형이 점 G\displaystyle \mathrm{G}와 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}로부터 같은 거리에 있는 점들의 모임(포물선)의 일부와 같음을 찾을 수 있다.

[1-2]P\displaystyle \mathrm{P}가 나타내는 도형은 [그림1]과 같이 점 G\displaystyle \mathrm{G}와 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}로부터 같은 거리에 있는 점들의 모임(포물선)의 일부와 같다.

그림1 점 G와 변 BC에서 같은 거리인 점 P의 자취
+3점 · 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 나타내는 도형([그림3])을 찾을 수 있다.

C\displaystyle C의 모든 점이 삼각형의 변 또는 내부에 있기 위해서는 [그림2]와 같이 포물선이 각 중선과 만나는 두 점 사이를 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 움직여야 한다. 즉, 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 나타내는 도형은 [그림3]과 같다.

그림2 원 C의 위치와 그림3 중심 P의 자취

따라서 구하는 도형의 넓이는

직선 GH와 GC 및 포물선 C1으로 둘러싸인 영역

직선 GH\displaystyle \mathrm{GH}, 직선 GC\displaystyle \mathrm{GC}, 포물선 C1\displaystyle C_{1}으로 둘러싸인 도형(※)의 넓이의 6\displaystyle 6배와 같다.

+3점 · 포물선과 직선의 방정식을 바르게 세울 수 있다.

GH=13×AH=13×32×83=4\displaystyle \overline{\mathrm{GH}} = \frac{1}{3} \times \overline{\mathrm{AH}} = \frac{1}{3} \times \frac{\sqrt{3}}{2} \times 8 \sqrt{3} = 4이므로 점 G\displaystyle \mathrm{G}(0,2)\displaystyle ( 0 , 2 ), 점 H\displaystyle \mathrm{H}(0,2)\displaystyle ( 0 , - 2 ), 점 C\displaystyle \mathrm{C}(43,2)\displaystyle ( 4 \sqrt{3} , - 2 )라 두고 주어진 도형을 좌표평면 위에 그리면곡선 C1\displaystyle C_{1}은 초점이 G(0,2)\displaystyle \mathrm{G} ( 0 , 2 )이고, 준선이 y=2\displaystyle y = - 2인 포물선이 되어곡선 C1\displaystyle C_{1}의 방정식은 x2=8y\displaystyle x^{2} = 8 y 즉, y=18x2\displaystyle y = \frac{1}{8} x^{2}이 된다.(※)의 넓이는 곡선 y=18x2\displaystyle y = \frac{1}{8} x^{2}, x=0\displaystyle x = 0, y=13x+2(x0)\displaystyle y = - \frac{1}{\sqrt{3}} x + 2 ( x \ge 0 )로 둘러싸인 도형의 넓이와 같다.

+3점 · (※)의 넓이를 바르게 구할 수 있다.

두 곡선 y=18x2,y=13x+2(x0)\displaystyle y = \frac{1}{8} x^{2} , y = - \frac{1}{\sqrt{3}} x + 2 ( x \ge 0 )는 점 (433,23)\displaystyle \left( \frac{{4 \sqrt{3}}}{3} , \frac{2}{3} \right)에서 만나므로(※)의 넓이=0433(13x+218x2)dx=40327\displaystyle = \int_{0}^{\frac{{4 \sqrt{3}}}{3}} \left( - \frac{1}{\sqrt{3}} x + 2 - \frac{1}{8} x^{2} \right) d x= \frac{{40 \sqrt{3}}}{27}

+2점 · 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 나타내는 도형의 넓이를 바르게 구할 수 있다.

따라서 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 나타내는 도형의 넓이는 6×40327=8039\displaystyle 6 \times \frac{{40 \sqrt{3}}}{27} = \frac{{80 \sqrt{3}}}{9}이다.

[1-3]

포물선 접선이 각 FPH를 이등분하는 성질
+5점 · 포물선 위의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서의 접선이 FPH\displaystyle \angle \mathrm{FPH}를 이등분함을 알아낸다.

문제 [1-1]의 삼각형 FPP\displaystyle \mathrm{FPP}^{\prime}에서 FP=FP\displaystyle \overline{\mathrm{FP}^{\prime}} = \overline{\mathrm{FP}}이므로 FPP=FPP\displaystyle \angle \mathrm{FP}^{\prime} \mathrm{P} = \angle \mathrm{FPP}^{\prime}이다.또한, PH/ ⁣/FP\displaystyle \overline{\mathrm{PH}}\parallel \overline{\mathrm{FP}^{\prime}}이므로 FPP=HPP\displaystyle \angle \mathrm{FP}^{\prime} \mathrm{P} = \angle \mathrm{HPP}^{\prime} (엇각)이다.그러므로 HPP=FPP\displaystyle \angle \mathrm{HPP}^{\prime} = \angle \mathrm{FPP}^{\prime}이다. 즉, 포물선 위의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서의 접선은 FPH\displaystyle \angle \mathrm{FPH}를 이등분한다.

점 B에서 자취에 그은 접선 l과 교점 Q
+5점 · 직선 l\displaystyle lMBC\displaystyle \angle \mathrm{MBC}의 이등분선임을 알아낸다.

1) 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 나타내는 도형과 직선 l\displaystyle l의 접점을 P1\displaystyle \mathrm{P}_{1}이라 하면 GP1B=HP1B\displaystyle \angle \mathrm{GP}_{1} \mathrm{B} = \angle \mathrm{HP}_{1} \mathrm{B}2) 포물선의 정의에 의해서 GP1=HP1\displaystyle \overline{\mathrm{GP}_{1}} = \overline{\mathrm{HP}_{1}}3) BP1\displaystyle \overline{\mathrm{BP}_{1}}은 공통이므로 두 삼각형 P1GB\displaystyle \mathrm{P}_{1} \mathrm{GB}, P1HB\displaystyle \mathrm{P}_{1} \mathrm{HB}는 합동이다.따라서 AC\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}의 중점 M\displaystyle \mathrm{M}에 대하여 직선 l\displaystyle lMBC\displaystyle \angle \mathrm{MBC}의 이등분선이므로

+2점 · BC:BM=83:12=CQ:QM\displaystyle \overline{\mathrm{BC}} : \overline{\mathrm{BM}} = 8 \sqrt{3} : 12 = \overline{\mathrm{CQ}} : \overline{\mathrm{QM}}의 비례식을 세울 수 있다.

BC=83,BM=12\displaystyle \overline{\mathrm{BC}} = 8 \sqrt{3} , \overline{\mathrm{BM}} = 12에 대하여BC:BM=83:12=CQ:QM\displaystyle \overline{\mathrm{BC}} : \overline{\mathrm{BM}} = 8 \sqrt{3} : 12 = \overline{\mathrm{CQ}} : \overline{\mathrm{QM}}이 성립한다, 즉 QM=32CQ\displaystyle \overline{\mathrm{QM}} = \frac{\sqrt{3}}{2} \overline{\mathrm{CQ}},

+3점 · CQ\displaystyle \overline{\mathrm{CQ}}의 길이를 구할 수 있다.

그러므로 CM=43=CQ+QM\displaystyle \overline{\mathrm{CM}} = 4 \sqrt{3} = \overline{\mathrm{CQ}} + \overline{\mathrm{QM}}에 대하여 CQ=CM×11+32=16324\displaystyle \overline{\mathrm{CQ}} = \overline{\mathrm{CM}} \times \frac{1}{1 + \frac{\sqrt{3}}{2}} = 16 \sqrt{3} - 24이다.

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