수리논술, 이게 다다.

자연계열 기하

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문제

【선택문항 유형2(기하)】다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

(가) 두 평면벡터 a⃗=(a1,a2)\displaystyle \vec a=(a_1,a_2), b⃗=(b1,b2)\displaystyle \vec b=(b_1,b_2)에 대하여 a⃗\displaystyle \vec a와 b⃗\displaystyle \vec b의 내적은a⃗⋅b⃗=a1b1+a2b2\displaystyle \vec a\cdot\vec b=a_1b_1+a_2b_2이다.

(나) 삼각형 ABC에 대하여

삼각형 ABC와 세 변의 길이

△ABC\displaystyle \triangle\mathrm{ABC}의 넓이 S\displaystyle S는 S=12absin⁡C=12bcsin⁡A=12casin⁡B\displaystyle S=\frac12ab\sin C=\frac12bc\sin A=\frac12ca\sin B이다.

좌표평면에 두 타원 E1:x29+y225=1,  E2:x29+y24=1\displaystyle E_1:\frac{x^2}9+\frac{y^2}{25}=1,\;E_2:\frac{x^2}9+\frac{y^2}4=1이 있다. 제1사분면에서 타원 E1\displaystyle E_1위의 임의의 한 점을 P(t,s)\displaystyle \mathrm P(t,s)라 하고, 점 P에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 H, 선분 PH와 타원 E2\displaystyle E_2의 교점을 Q라 하자.점 P에서 타원 E1\displaystyle E_1의 접선과 점 Q에서 타원 E2\displaystyle E_2의 접선의 교점을 R라 할 때, 다음 물음에 답하시오.

[기하-1] PH→⋅RH→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{RH}}의 값을 구하시오. (10점)

[기하-2] 삼각형 PQR의 넓이를 S1\displaystyle S_1, 삼각형 QRH의 넓이를 S2\displaystyle S_2라 할 때, S1S2\displaystyle \frac{S_1}{S_2}의 값을 구하시오. (10점)

[기하-3] ∠PRQ=∠QRH\displaystyle \angle\mathrm{PRQ}=\angle\mathrm{QRH}를 만족시키는 점 R의 좌표를 구하시오. (10점)

해설강의 준비중
+4점 · 점 P에서 타원 E1\displaystyle E_1에 그은 접선의 방정식, 점 Q에서 타원 E2\displaystyle E_2에 그은 접선의 방정식을 구할 수 있다.

[기하-1]P(t,s)\displaystyle \mathrm P(t,s)에서 타원 E1\displaystyle E_1에 그은 접선의 방정식은 tx9+sy25=1\displaystyle \frac{tx}9+\frac{sy}{25}=1이고 점 Q(t,s′)\displaystyle \mathrm Q(t,s^{\prime})이라 하면 점 Q에서 타원 E2\displaystyle E_2에서 그은 접선의 방정식은 tx9+s′y4=1\displaystyle \frac{tx}9+\frac{s^{\prime}y}4=1

+2점 · 점 P에서 타원 E1\displaystyle E_1의 접선과 점 Q에서 타원 E2\displaystyle E_2의 접선의 교점 R의 좌표를 구할 수 있다.

이므로 두 접선의 교점 R의 좌표는 (9t,0)\displaystyle \left(\frac9t,0\right)이다.

+4점 · 두 벡터 PH→,RH→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PH}},\overrightarrow{\mathrm{RH}}를 성분으로 나타낼 수 있고 PH→⋅RH→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{RH}}을 구할 수 있다.

따라서 PH→=(0,−s)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PH}}=(0,-s), RH→=(t−9t,0)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{RH}}=\left(t-\frac9t,0\right)이므로 PH→⋅RH→=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{RH}}=0이다.

+4점 · 삼각형 PQR의 넓이 S1\displaystyle S_1과 삼각형 QRH의 넓이 S2\displaystyle S_2를 구할 수 있다.

[기하-2][기하-1]의 결과에로부터 선분 RH는 두 선분 PQ, QH과 수직이므로삼각형 PQR의 넓이 S1=12PQ‾×RH‾\displaystyle S_1=\frac12\overline{\mathrm{PQ}}\times\overline{\mathrm{RH}}이고 삼각형 QRH의 넓이 S2=12QH‾×RH‾\displaystyle S_2=\frac12\overline{\mathrm{QH}}\times\overline{\mathrm{RH}}이다.

+6점 · S1S2\displaystyle \frac{S_1}{S_2}의 값을 구할 수 있다.

따라서 S1S2=12PQ‾×RH‾12QH‾×RH‾=PQ‾QH‾=s−s′s′=25−259t24−49t2−1=539−t2239−t2−1=32\displaystyle \frac{S_1}{S_2}=\frac{\frac12\overline{\mathrm{PQ}}\times\overline{\mathrm{RH}}}{\frac12\overline{\mathrm{QH}}\times\overline{\mathrm{RH}}}=\frac{\overline{\mathrm{PQ}}}{\overline{\mathrm{QH}}}=\frac{s-s^{\prime}}{s^{\prime}}=\frac{\sqrt{25-\frac{25}9t^2}}{\sqrt{4-\frac49t^2}}-1=\frac{\frac53\sqrt{9-t^2}}{\frac23\sqrt{9-t^2}}-1=\frac32

+4점 · 제시문 (나)를 이용하여 S1\displaystyle S_1, S2\displaystyle S_2를 구할 수 있다.

[기하-3]∠PRQ=∠QRH=θ\displaystyle \angle\mathrm{PRQ}=\angle\mathrm{QRH}=\theta라 하면 제시문 (다)에 의해 S1=12RP‾×RQ‾×sin⁡θ\displaystyle S_1=\frac12\overline{\mathrm{RP}}\times\overline{\mathrm{RQ}}\times\sin\theta, S2=12RQ‾×RH‾×sin⁡θ\displaystyle S_2=\frac12\overline{\mathrm{RQ}}\times\overline{\mathrm{RH}}\times\sin\theta이다.Correction. 풀이에서 삼각형의 넓이 공식을 인용한 ‘제시문 (다)’는 ‘제시문 (나)’의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+6점 · [기하2-2]의 결과를 이용하여 R의 좌표를 구할 수 있다.

Correction. 마지막 채점기준의 ‘[기하2-2]’는 ‘[기하-2]’의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

S1S2=32\displaystyle \frac{S_1}{S_2}=\frac32이므로 12PR‾ QR‾sin⁡θ12QR‾ HR‾sin⁡θ=32\displaystyle \frac{\frac12\overline{\mathrm{PR}}\,\overline{\mathrm{QR}}\sin\theta}{\frac12\overline{\mathrm{QR}}\,\overline{\mathrm{HR}}\sin\theta}=\frac32이다.2PR‾=3HR‾\displaystyle 2\overline{\mathrm{PR}}=3\overline{\mathrm{HR}}이고, 4PR‾2=9HR‾2\displaystyle 4\overline{\mathrm{PR}}^2=9\overline{\mathrm{HR}}^2이다.점 P(t,s)\displaystyle \mathrm P(t,s), R(9t,0)\displaystyle \mathrm R\left(\frac9t,0\right), H(t,0)\displaystyle \mathrm H(t,0)에 대하여 식으로 나타내면(1) 4{(9t−t)2+s2}=9(9t−t)2\displaystyle 4\left\{\left(\frac9t-t\right)^2+s^2\right\}=9\left(\frac9t-t\right)^2이다.점 P(t,s)\displaystyle \mathrm P(t,s)가 타원 E1\displaystyle E_1 위의 점이므로 s2=25−259t2\displaystyle s^2=25-\frac{25}9t^2이고, (1)에 대입하면5(9t−t)2=4(25−259t2)\displaystyle 5\left(\frac9t-t\right)^2=4\left(25-\frac{25}9t^2\right)이므로 0<t<3\displaystyle 0<t<3범위에서는 t=929\displaystyle t=\frac9{\sqrt{29}}이다.따라서 점 R의 좌표는 (29,0)\displaystyle (\sqrt{29},0)이다.

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