수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 두 초점 F1(−c,0),F2(c,0)\displaystyle F_1(-c,0),F_2(c,0)으로부터의 거리의 차가 2a\displaystyle 2a인 쌍곡선의 방정식은 다음과 같다.x2a2−y2b2=1(단, c>a>0,b2=c2−a2)\displaystyle \frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1\quad(\text{단, }c>a>0,b^2=c^2-a^2)

(나) 쌍곡선 위의 점 P(x1,y1)\displaystyle P(x_1,y_1)에 대해 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta를 아래 그림에서 보는 바와 같이∠F1PQ=α\displaystyle \angle F_1PQ=\alpha, ∠F2PQ=β\displaystyle \angle F_2PQ=\beta라고 하자. (단, y1≠0\displaystyle y_1\neq0이다.)

쌍곡선의 접선 PQ와 법선 PR 및 두 초점에서 P로 향하는 직선

[1.1] 점 P\displaystyle P에서 법선의 방정식을 구하시오.

[1.2] α=β\displaystyle \alpha=\beta임을 보이시오.

[1.3] F2\displaystyle F_2에서 발사된 빛이 쌍곡선 위의 점 P\displaystyle P에서 반사된다. 반사된 후 빛의 경로를 나타내는 직선의 방정식을 구하시오.

[1.4] 기울기 m\displaystyle m인 쌍곡선의 두 접선 사이의 거리 D\displaystyle D를 m\displaystyle m에 관한 식으로 나타내시오.

해설강의 준비중

[1.1] x2a2−y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1의 양변을 x\displaystyle x에 대하여 미분하면 dydx=b2xa2y\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{b^2x}{a^2y}이므로 점 P\displaystyle P에서의 접선의 기울기는 b2x1a2y1\displaystyle \frac{b^2x_1}{a^2y_1}이고, 점 P\displaystyle P에서 법선의 기울기는 −a2y1b2x1\displaystyle -\frac{a^2y_1}{b^2x_1}이다. 따라서 법선의 방정식은 y=−a2y1b2x1(x−x1)+y1\displaystyle y=-\frac{a^2y_1}{b^2x_1}(x-x_1)+y_1이다.

[1-2] ∠PF1Q=θ1\displaystyle \angle PF_1Q=\theta_1, ∠PQF2=θ2\displaystyle \angle PQF_2=\theta_2, ∠PF2R=θ3\displaystyle \angle PF_2R=\theta_3라 하자.직선 F1P\displaystyle F_1P의 기울기는 tan⁡θ1=y1x1+c\displaystyle \tan\theta_1=\frac{y_1}{x_1+c}, 점 P\displaystyle P에서 접선의 기울기는 tan⁡θ2=b2x1a2y1\displaystyle \tan\theta_2=\frac{b^2x_1}{a^2y_1}직선 F2P\displaystyle F_2P의 기울기는 tan⁡θ3=y1x1−c\displaystyle \tan\theta_3=\frac{y_1}{x_1-c}이므로tan⁡α=tan⁡(θ2−θ1)=tan⁡θ2−tan⁡θ11+tan⁡θ2tan⁡θ1=b2x1a2y1−y1x1+c1+b2x1y1a2y1(x1+c)=b2x1(x1+c)−a2y12a2y1(x1+c)+b2x1y1=b2(cx1+a2)cy1(cx1+a2)=b2cy1\displaystyle \begin{aligned}\tan\alpha&=\tan(\theta_2-\theta_1)=\frac{\tan\theta_2-\tan\theta_1}{1+\tan\theta_2\tan\theta_1}\\&=\frac{\frac{b^2x_1}{a^2y_1}-\frac{y_1}{x_1+c}}{1+\frac{b^2x_1y_1}{a^2y_1(x_1+c)}}=\frac{b^2x_1(x_1+c)-a^2y_1^2}{a^2y_1(x_1+c)+b^2x_1y_1}=\frac{b^2(cx_1+a^2)}{cy_1(cx_1+a^2)}=\frac{b^2}{cy_1}\end{aligned}∵x12a2−y12b2=1,a2+b2=c2\displaystyle \because\frac{x_1^2}{a^2}-\frac{y_1^2}{b^2}=1,\quad a^2+b^2=c^2tan⁡β=tan⁡(θ3−θ2)=tan⁡θ3−tan⁡θ21+tan⁡θ3tan⁡θ2=y1x1−c−b2x1a2y11+b2x1y1a2y1(x1−c)=a2y12−b2x1(x1−c)a2y1(x1−c)+b2x1y1=b2(cx1−a2)cy1(cx1−a2)=b2cy1\displaystyle \begin{aligned}\tan\beta&=\tan(\theta_3-\theta_2)=\frac{\tan\theta_3-\tan\theta_2}{1+\tan\theta_3\tan\theta_2}\\&=\frac{\frac{y_1}{x_1-c}-\frac{b^2x_1}{a^2y_1}}{1+\frac{b^2x_1y_1}{a^2y_1(x_1-c)}}=\frac{a^2y_1^2-b^2x_1(x_1-c)}{a^2y_1(x_1-c)+b^2x_1y_1}=\frac{b^2(cx_1-a^2)}{cy_1(cx_1-a^2)}=\frac{b^2}{cy_1}\end{aligned}따라서 α=β\displaystyle \alpha=\beta이다.

[1.3] [1.2]로부터, 즉 쌍곡선의 반사성질로부터 빛의 경로를 나타내는 직선은 직선 F1P\displaystyle F_1P의 일부이므로 빛의 경로를 나타내는 직선은 y=y1x1+c(x−x1)+y1\displaystyle y=\frac{y_1}{x_1+c}(x-x_1)+y_1이다.

[1.4] 기울기 m\displaystyle m인 쌍곡선의 두 접선의 방정식은 y=mx±a2m2−b2\displaystyle y=mx\pm\sqrt{a^2m^2-b^2}으로 주어지며, 두 평행한 접선이 원점에서 같은 거리에 있으므로 한 점으로부터 직선까지의 거리공식에 의하여L(m)=2a2m2−b2m2+1\displaystyle L(m)=\frac{2\sqrt{a^2m^2-b^2}}{\sqrt{m^2+1}}이다.

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