수리논술, 이게 다다.

자연계 2교시 수학1

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문제

[ 수학1 ]다음 <제시문1> ~ <제시문3>을 읽고 [수학1 - ⅰ] ~ [수학1 - ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

<제시문1>양의 실수 a,b\displaystyle a,b에 대하여, x\displaystyle x축과의 교점이 각각 (a,0),(−a,0)\displaystyle (a,0),(-a,0)이고 y\displaystyle y축과의 교점이 각각 (0,b),(0,−b)\displaystyle (0,b),(0,-b)인 타원 Ea,b\displaystyle E_{a,b}는 다음의 식에 의해 정의된다.Ea,b:x2a2+y2b2=1\displaystyle E_{a,b}:\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1

<제시문2>제 1사분면은 {(x,y)∣x>0, y>0}\displaystyle \{(x,y)\mid x>0,\ y>0\}으로 정의하고, 원점 O\displaystyle O의 좌표는 (0,0)\displaystyle (0,0)이다.

<제시문3>타원 Ea,b\displaystyle E_{a,b} 위의 점 P\displaystyle P를 제 1사분면에서 임의로 잡고, P\displaystyle P에서의 접선이 x\displaystyle x축, y\displaystyle y축과 만나는 점을 각각 A,B\displaystyle A,B, 그리고 P\displaystyle P에서 x\displaystyle x축, y\displaystyle y축에 내린 수선의 발을 각각 C,D\displaystyle C,D라 한다.

[수학1 - ⅰ] a=2,b=1\displaystyle a=2,b=1일 때, 타원 E2,1\displaystyle E_{2,1}에 대하여 사각형 OCPD\displaystyle OCPD의 면적이 최대가 되는 점 P\displaystyle P의 좌표와 그 최댓값을 구하고 그 이유를 논하시오.

[수학1 - ⅱ] a=3,b=62\displaystyle a=\sqrt3,b=\frac{\sqrt6}2일 때, 타원 E3,62\displaystyle E_{\sqrt3,\frac{\sqrt6}2}에 대하여 사각형 OCPD\displaystyle OCPD를 x\displaystyle x축의 둘레로 회전시킬 때 생기는 회전체의 부피가 최대가 되는 점 P\displaystyle P의 좌표와 그 최댓값을 구하고 그 이유를 논하시오.

[수학1 - ⅲ] a,b\displaystyle a,b가 임의의 양의 실수일 때, 타원 Ea,b\displaystyle E_{a,b}에 대하여 OA‾×OB‾×OC‾×OD‾\displaystyle \overline{OA}\times\overline{OB}\times\overline{OC}\times\overline{OD}의 값이 점 P\displaystyle P의 위치에 관계없이 a,b\displaystyle a,b에 의해 결정됨을 보이고 그 이유를 논하시오.

해설강의 준비중
ⅰ · 산술기하평균 혹은 미분을 이용하여 넓이가 최대가 되는 경우를 구할 수 있다.

[수학1-ⅰ]P\displaystyle P의 좌표를 P(x1,y1)\displaystyle P(x_1,y_1)이라 두자. P\displaystyle P는 타원 E2,1\displaystyle E_{2,1} 위의 점이므로x124+y12=1(1)\displaystyle \frac{x_1^2}4+y_1^2=1\qquad(1)이고, 사각형 OCPD\displaystyle OCPD의 넓이는 x1y1\displaystyle x_1y_1이다. 산술기하평균과 (1)에 의해x1y1=2(x12×y1)≤22(x124+y12)=1\displaystyle x_1y_1=2\left(\frac{x_1}2\times y_1\right)\le\frac22\left(\frac{x_1^2}4+y_1^2\right)=1등호는 x12=y1\displaystyle \frac{x_1}2=y_1 일 때 성립하고 (1)과 연립하면 x1=2\displaystyle x_1=\sqrt2, y1=12\displaystyle y_1=\frac1{\sqrt2}을 얻는다.즉 P(2,12)\displaystyle P\left(\sqrt2,\frac1{\sqrt2}\right)이고, 이때 넓이는 V=1\displaystyle V=1이다.

ⅱ · 미분을 이용하여 부피가 최대가 되는 경우를 구할 수 있다.

[수학1-ⅱ]P\displaystyle P의 좌표를 P(x1,y1)\displaystyle P(x_1,y_1)이라 두자. P\displaystyle P는 타원 E3,62\displaystyle E_{\sqrt3,\frac{\sqrt6}2} 위의 점이므로x13(3)2+y12(62)2=x123+23y12=1(1)\displaystyle \frac{x_1^3}{(\sqrt3)^2}+\frac{y_1^2}{\left(\frac{\sqrt6}2\right)^2}=\frac{x_1^2}3+\frac23y_1^2=1\qquad(1)Correction. 첫 항의 x13\displaystyle x_1^3은 x12\displaystyle x_1^2의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.회전체의 부피는 V=πy12x1\displaystyle V=\pi y_1^2x_1이고, (1)을 대입하면 V=3π2x1(1−x123)\displaystyle V=\frac{3\pi}2x_1\left(1-\frac{x_1^2}3\right)를 얻는다.따라서 dVdx1=3π2(1−x12)=3π2(1−x1)(1+x1)\displaystyle \frac{dV}{dx_1}=\frac{3\pi}2(1-x_1^2)=\frac{3\pi}2(1-x_1)(1+x_1) 이고,x1=1\displaystyle x_1=1에서 최댓값을 가진다. (1)로부터 y1=1\displaystyle y_1=1, 즉 P(1,1)\displaystyle P(1,1)임을 알 수 있고 이때의 부피는 V=π\displaystyle V=\pi이다.

ⅲ · 타원의 접선의 방정식을 이용하여 특정한 기하적인 양이 일정함을 보일 수 있다.

[수학1-ⅲ]P\displaystyle P의 좌표를 (x1,y1)\displaystyle (x_1,y_1)라 두자. 그러면 P\displaystyle P에서 x\displaystyle x축, y\displaystyle y축에 내린 수선의 발은 각각C=(x1,0), D=(0,y1)\displaystyle C=(x_1,0),\ D=(0,y_1)이다. −−−(1)\displaystyle \qquad---(1)접선의 방정식은 x1xa2+y1yb2=1\displaystyle \frac{x_1x}{a^2}+\frac{y_1y}{b^2}=1로 주어진다.따라서 x\displaystyle x축, y\displaystyle y축과의 교점은 각각 A=(a2x1,0), B=(0,b2y1)\displaystyle A=\left(\frac{a^2}{x_1},0\right),\ B=\left(0,\frac{b^2}{y_1}\right) 이다. −−−(2)\displaystyle \qquad---(2)(1), (2)로부터 OA‾×OB‾×OC‾×OD‾=a2x1×b2y1×x1×y1=a2b2\displaystyle \overline{OA}\times\overline{OB}\times\overline{OC}\times\overline{OD}=\frac{a^2}{x_1}\times\frac{b^2}{y_1}\times x_1\times y_1=a^2b^2 가 되어 P\displaystyle P의 위치에 관계없이, (즉, x1,y1\displaystyle x_1,y_1의 값에 관계없이) a,b\displaystyle a,b에 의해 결정됨을 알 수 있다.

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