수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+15점 · 2-1

[2-1]

2x9+(2y4)dydx=0\displaystyle \frac{2x}9+\left(\frac{2y}4\right)\frac{dy}{dx}=0이므로 dydx=(2x9)(42y)=4x9y\displaystyle \frac{dy}{dx}=\left(-\frac{2x}9\right)\left(\frac4{2y}\right)=-\frac{4x}{9y}이다.따라서 접선의 방정식은yy1=4x19y1(xx1) ()\displaystyle y-y_1=-\frac{4x_1}{9y_1}(x-x_1)\quad\cdots\cdots\ (*)

이다. 이 직선이 P(0,t)\displaystyle \mathrm{P}(0,t)를 지나므로ty1=4x19y1(0x1)\displaystyle t-y_1=-\frac{4x_1}{9y_1}(0-x_1)t=4x12+9y129y1=369y1=4y1\displaystyle t=\frac{4x_1^2+9y_1^2}{9y_1}=\frac{36}{9y_1}=\frac4{y_1}y1=4t\displaystyle \therefore y_1=\frac4t

이것을 x129+y124=1\displaystyle \frac{x_1^2}9+\frac{y_1^2}4=1에 대입하여 x1\displaystyle x_1을 구하면x1=±3t24t\displaystyle x_1=\pm\frac{3\sqrt{t^2-4}}t

이다. 이때 구한 x1\displaystyle x_{1}y1\displaystyle y_{1}을 (*)에 대입하면 두 접선의 방정식은 각각y=t243x+t,y=t243x+t\displaystyle y = \frac{{\sqrt{t^{2} - 4}}}{3} x + t , y = - \frac{{\sqrt{t^{2} - 4}}}{3} x + t이 된다.

타원과 점 P에서의 두 접선 및 직선 y=-2
+20점 · 2-2

[2-2]

P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표는 (0,t,0)\displaystyle (0,t,0)이므로 (1)의 결과를 이용하면 두 접선이 직선 y=2,z=0\displaystyle y=-2, z=0과 만나는 두 점 A,B\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B}는 각각A(3(t+2)t24,2,0), B(3(t+2)t24,2,0)\displaystyle \mathrm{A}\left(\frac{-3(t+2)}{\sqrt{t^2-4}},-2,0\right),\ \mathrm{B}\left(\frac{3(t+2)}{\sqrt{t^2-4}},-2,0\right)

이므로 삼각형 PAB\displaystyle \mathrm{PAB}의 넓이 S\displaystyle SS=12×6(t+2)t24×(t+2)=3(t+2)2t24\displaystyle S=\frac12\times\frac{6(t+2)}{\sqrt{t^2-4}}\times(t+2)=\frac{3(t+2)^2}{\sqrt{t^2-4}}

이다. 따라서 사면체 QPAB\displaystyle {\mathrm{QPAB}}의 부피 V\displaystyle VV=13×(삼각형 PAB의 넓이)×PQ=13×3(t+2)2t24×(t+2)=(t+2)3t24\displaystyle \begin{aligned}V&=\frac13\times(\text{삼각형 }\mathrm{PAB}\text{의 넓이})\times\overline{\mathrm{PQ}}\\&=\frac13\times\frac{3(t+2)^2}{\sqrt{t^2-4}}\times(t+2)=\frac{(t+2)^3}{\sqrt{t^2-4}}\end{aligned}

이다. 이것을 f(t)\displaystyle f ( t )라 두고 미분하면f(t)=3(t+2)2t24(t+2)3×2t2t24t24=2(t+2)2(t3)(t2)t24\displaystyle \begin{aligned}f^{\prime} ( t ) & = \frac{{3 ( t + 2 )^{2} \sqrt{t^{2} - 4} - ( t + 2 )^{3} \times \frac{{2 t}}{2 \sqrt{t^{2} - 4}}}}{t^{2} - 4} \\ & = \frac{{2 ( t + 2 )^{2} ( t - 3 )}}{( t - 2 ) \sqrt{t^{2} - 4}}\end{aligned}이고

함수 f의 t=3에서의 극솟값 25√5와 증감표

t>2\displaystyle t > 2이므로 위 증감표에 의해 t=3\displaystyle t = 3일 때, f(t)\displaystyle f ( t )는 극소가 되면서 최솟값을 갖는다.따라서 최솟값은 t=3\displaystyle t = 3일 때f(3)=13×3525×5=1255=255\displaystyle f ( 3 ) = \frac{{1}}{3} \times \frac{{3 \cdot 5^{2}}}{\sqrt{5}} \times 5 = \frac{{125}}{\sqrt{5}} = 25 \sqrt{5}이다.

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