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자연계 3교시 수학1

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문제

[수학1] 다음 <제시문1>~<제시문2>를 읽고 [수학1-ⅰ]~[수학1-ⅳ]를 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

<제시문1>두 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속일 때, 두 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x), y=g(x)\displaystyle y=g(x) 및 두 직선 x=a\displaystyle x=a, x=b\displaystyle x=b로 둘러싸인 도형의 넓이 S\displaystyle S는 다음과 같다.S=∫ab∣f(x)−g(x)∣ dx\displaystyle S=\int_{a}^{b}|f(x)-g(x)|\,dx

<제시문2>곡선 E:y=−x2+4\displaystyle E:y=-x^{2}+4 (단, x≥0\displaystyle x\ge0, y≥0\displaystyle y\ge0)가 x\displaystyle x축과 만나는 점을 P\displaystyle \mathrm{P}, y\displaystyle y축과 만나는 점을 Q\displaystyle \mathrm{Q}라고 하고, 곡선 E\displaystyle E 및 x\displaystyle x축과 y\displaystyle y축으로 둘러싸인 도형을 D\displaystyle D라고 하자. 또한 원점 O\displaystyle \mathrm{O}를 포함하는 선분 OP\displaystyle \mathrm{OP} 위의 임의의 점을 A\displaystyle \mathrm{A}, 선분 OQ\displaystyle \mathrm{OQ} 위의 임의의 점을 B\displaystyle \mathrm{B}라고 하자.

[수학1-ⅰ] <제시문2>의 두 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 B\displaystyle \mathrm{B}를 지나고 도형 D\displaystyle D의 넓이를 이등분하는 직선 중 원점 O\displaystyle \mathrm{O}와의 거리가 가장 가까운 직선 l1\displaystyle l_{1}과 가장 먼 직선 l2\displaystyle l_{2}의 방정식을 각각 구하고 그 이유를 논하시오.

[수학1-ⅱ] 문항 [수학1-ⅰ]에서 구한 직선 l1\displaystyle l_{1} 위의 점 중에서 원점 O\displaystyle \mathrm{O}와의 거리가 최소인 점을 C1\displaystyle \mathrm{C}_{1}, 문항 [수학1-ⅰ]에서 구한 직선 l2\displaystyle l_{2} 위의 점 중에서 원점 O\displaystyle \mathrm{O}와의 거리가 최소인 점을 C2\displaystyle \mathrm{C}_{2}라고 할 때, 삼각형 OC1C2\displaystyle \mathrm{OC}_{1}\mathrm{C}_{2}의 넓이를 구하고 그 이유를 논하시오.

[수학1-ⅲ] 포물선 y=−x2+4\displaystyle y=-x^{2}+4를 x\displaystyle x축 방향으로 m\displaystyle m만큼, y\displaystyle y축 방향으로 n\displaystyle n만큼 평행이동 하였더니 문항 [수학1-ⅰ]에서 구한 직선 l1\displaystyle l_{1}과 l2\displaystyle l_{2}에 동시에 접하는 포물선 F\displaystyle F를 얻게 되었다. 이때 상수 m\displaystyle m, n\displaystyle n의 값을 구하고 그 이유를 논하시오.

[수학1-ⅳ] 문항 [수학1-ⅲ]에서 구한 포물선 F\displaystyle F 및 문항 [수학1-ⅰ]에서 구한 직선 l1\displaystyle l_{1}과 l2\displaystyle l_{2}로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하고 그 이유를 논하시오.

해설강의 준비중
+8점 · 점과 직선 사이의 거리를 함수로 표현하고, 함수의 그래프의 개형에 대한 이해를 통해 두 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 B\displaystyle \mathrm{B}를 지나고 도형 D\displaystyle D의 넓이를 이등분하는 직선 중 원점과의 거리가 가장 가까운 직선과 가장 먼 직선의 방정식을 올바르게 유도할 수 있다.

[수학1-ⅰ]도형 D\displaystyle D의 넓이 SD\displaystyle S_{D}는SD=∫02(−x2+4) dx=[−13x3+4x]02=163\displaystyle S_{D}=\int_{0}^{2}(-x^{2}+4)\,dx=\Biggl[-\frac13x^{3}+4x\Biggr]_{0}^{2}=\frac{16}{3}점 A(a,0)\displaystyle \mathrm{A}(a,0)와 B(0,b)\displaystyle \mathrm{B}(0,b)를 지나고 도형 D\displaystyle D의 넓이를 이등분하는 직선 l\displaystyle l의 방정식은xa+yb=1\displaystyle \frac{x}{a}+\frac{y}{b}=1 (단, 0<a≤2\displaystyle 0<a\le2, 0<b≤4\displaystyle 0<b\le4)이고, 여기서 a\displaystyle a와 b\displaystyle b는 다음의 관계식을 만족한다.ab=163\displaystyle ab=\frac{16}{3} …… ①왜냐하면, 직선 l\displaystyle l이 도형 D\displaystyle D의 넓이 SD\displaystyle S_{D}를 이등분한다는 조건으로부터 직선 l\displaystyle l 및 x\displaystyle x축, y\displaystyle y축으로 둘러싸인 삼각형의 넓이가 12SD\displaystyle \frac12 S_{D}와 같아야 하기 때문이다. 즉, 12ab=12SD\displaystyle \frac12 ab=\frac12 S_{D}이다.

(참고로, 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 B\displaystyle \mathrm{B}가 같은 경우를 고려하면 원점 O\displaystyle \mathrm{O}를 지나고 도형 D\displaystyle D의 넓이를 이등분하는 직선이 원점과의 거리가 0\displaystyle 0으로 가장 가까운 직선이 되지만, [수학1-ⅱ]에서 구하고자 하는 점 C1\displaystyle \mathrm{C}_{1}이 원점 O\displaystyle \mathrm{O}와 같아지기 때문에 삼각형 OC1C2\displaystyle \mathrm{OC}_{1}\mathrm{C}_{2}를 정의할 수 없다. 따라서 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 B\displaystyle \mathrm{B}는 서로 다른 두 점으로 이해되어야 한다.)

그러므로, 직선 l\displaystyle l의 방정식은 bx+ay=163\displaystyle bx+ay=\frac{16}{3}이고, 두 부등식 0<a≤2\displaystyle 0<a\le2, 0<b≤4\displaystyle 0<b\le4로부터 아래와 같이 a\displaystyle a의 범위를 얻을 수 있다.43≤a≤2\displaystyle \frac43\le a\le2원점 O\displaystyle \mathrm{O}와 직선 l:bx+ay+(−163)=0\displaystyle l:bx+ay+\left(-\frac{16}{3}\right)=0사이의 거리는∣−163∣b2+a2=1631a2+b2\displaystyle \frac{\left|-\frac{16}{3}\right|}{\sqrt{b^{2}+a^{2}}}=\frac{16}{3}\frac1{\sqrt{a^{2}+b^{2}}}이므로 원점과 직선 l\displaystyle l 사이의 거리가 최소가 되기 위해서는 a2+b2\displaystyle a^{2}+b^{2}의 값이 최대, 반대로 거리가 최대가 되기 위해서는 a2+b2\displaystyle a^{2}+b^{2}의 값이 최소가 되어야 한다. 따라서, a\displaystyle a와 b\displaystyle b가 만족하는 관계식 ①을 이용하여 a2+b2\displaystyle a^{2}+b^{2}을 a\displaystyle a에 대한 함수 f(a)\displaystyle f(a)f(a)=a2+(163a)2\displaystyle f(a)=a^{2}+\left(\frac{16}{3a}\right)^{2}으로 나타내고, 닫힌구간 [43,2]\displaystyle \left[\frac43,2\right]에서 함수 f(a)\displaystyle f(a)의 최대, 최소를 이해하여야 한다. 이에 함수 f(a)\displaystyle f(a)의 도함수를 활용하여 f(a)\displaystyle f(a)의 증가와 감소를 아래와 같이 표로 나타낸다.f′(a)=2a−5129a3=2a(1−163a2)(1+163a2)\displaystyle f^{\prime}(a)=2a-\frac{512}{9a^{3}}=2a\left(1-\frac{16}{3a^{2}}\right)\left(1+\frac{16}{3a^{2}}\right) 이므로 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0에서 a=±43\displaystyle a=\pm\frac4{\sqrt3}

aa43\frac43⋯2
f′(a)f^{\prime}(a)−−−
f(a)f(a)1609\frac{160}9↘1009\frac{100}9

따라서 함수 f(a)\displaystyle f(a)는 a=43\displaystyle a=\frac43일 때 최댓값을, a=2\displaystyle a=2일 때 최솟값을 가진다. 즉, 원점과 직선 l:bx+ay=163\displaystyle l:bx+ay=\frac{16}{3} 사이의 거리는 (a,b)=(43,4)\displaystyle (a,b)=\left(\frac43,4\right)일 때 최솟값을, (a,b)=(2,83)\displaystyle (a,b)=\left(2,\frac83\right)일 때 최댓값을 가진다. 그러므로 직선 l1\displaystyle l_{1}과 직선 l2\displaystyle l_{2}의 방정식은 다음과 같다.l1:3x+y=4\displaystyle l_{1}:3x+y=4, l2:4x+3y=8\displaystyle l_{2}:4x+3y=8

+7점 · 직선에 수직인 직선의 방정식을 이용하여, 점 C1\displaystyle \mathrm{C}_{1}과 점 C2\displaystyle \mathrm{C}_{2}를 찾고, 삼각형 OC1C2\displaystyle \mathrm{OC}_{1}\mathrm{C}_{2}의 넓이를 올바르게 유도할 수 있다.

[수학1-ⅱ]점 C1\displaystyle \mathrm{C}_{1}은 직선 l1\displaystyle l_{1} 위의 점 중에서 원점과의 거리가 최소인 점이므로, 점 C1\displaystyle \mathrm{C}_{1}는 원점을 지나고 직선 l1\displaystyle l_{1}에 수직인 직선과 직선 l1\displaystyle l_{1}과의 교점이다. 이 때 원점을 지나고 직선 l1:y=−3x+4\displaystyle l_{1}:y=-3x+4에 수직인 직선의 방정식은 y=13x\displaystyle y=\frac13x이므로, 직선 l1\displaystyle l_{1}과의 교점을 구하면 점 C1\displaystyle \mathrm{C}_{1}은 다음과 같다.C1(65,25)\displaystyle \mathrm{C}_{1}\left(\frac65,\frac25\right)위와 같은 방법으로 점 C2\displaystyle \mathrm{C}_{2}는 원점을 지나고 직선 l2\displaystyle l_{2}에 수직인 직선과 직선 l2\displaystyle l_{2}와의 교점이다. 원점을 지나고 직선 l2:y=−43x+83\displaystyle l_{2}:y=-\frac43x+\frac83에 수직인 직선의 방정식은 y=34x\displaystyle y=\frac34x이므로, 직선 l2\displaystyle l_{2}와의 교점을 구하면 점 C2\displaystyle \mathrm{C}_{2}는 다음과 같다.C2(3225,2425)\displaystyle \mathrm{C}_{2}\left(\frac{32}{25},\frac{24}{25}\right)점 C1\displaystyle \mathrm{C}_{1}과 직선 y=34x\displaystyle y=\frac34x 사이의 거리를 h\displaystyle h라고 하고 선분 OC2\displaystyle \mathrm{OC}_{2}의 길이를 d\displaystyle d라고 하면, 삼각형 OC1C2\displaystyle \mathrm{OC}_{1}\mathrm{C}_{2}의 넓이 S△\displaystyle S_{\triangle}는 다음과 같다.S△=12dh\displaystyle S_{\triangle}=\frac12dh이때 점 C1(65,25)\displaystyle \mathrm{C}_{1}\left(\frac65,\frac25\right)와 직선 3x−4y=0\displaystyle 3x-4y=0 사이의 거리 h\displaystyle h는h=∣365−425∣32+42=25\displaystyle h=\frac{\left|3\frac65-4\frac25\right|}{\sqrt{3^{2}+4^{2}}}=\frac25선분 OC2\displaystyle \mathrm{OC}_{2}의 길이 d\displaystyle d는d=(3225)2+(2425)2=85\displaystyle d=\sqrt{\left(\frac{32}{25}\right)^{2}+\left(\frac{24}{25}\right)^{2}}=\frac85그러므로 삼각형 OC1C2\displaystyle \mathrm{OC}_{1}\mathrm{C}_{2}의 넓이는 825\displaystyle \frac8{25}이다.

+8점 · 평행이동한 포물선과 직선의 위치 관계를 이해하여, 상수 m\displaystyle m, n\displaystyle n의 값을 올바르게 유도할 수 있다.

[수학1-ⅲ]포물선 y=−x2+4\displaystyle y=-x^{2}+4를 x\displaystyle x축 방향으로 m\displaystyle m만큼 y\displaystyle y축 방향으로 n\displaystyle n만큼 평행이동한 포물선 F\displaystyle F의 방정식은 다음과 같다.y−n=−(x−m)2+4\displaystyle y-n=-(x-m)^{2}+4포물선 F\displaystyle F가 직선 l1\displaystyle l_{1}에 접한다는 조건으로부터 m\displaystyle m, n\displaystyle n이 만족해야 하는 관계식을 얻기 위해서, 직선 l1\displaystyle l_{1}의 방정식 y=−3x+4\displaystyle y=-3x+4를 포물선의 방정식에 대입하여 얻은 이차방정식x2−(2m+3)x+(m2−n)=0\displaystyle x^{2}-(2m+3)x+(m^{2}-n)=0 …… Ⓐ의 판별식을 D1\displaystyle D_{1}이라 하면,D1=12m+4n+9=0\displaystyle D_{1}=12m+4n+9=0 …… ①같은 방법으로 포물선 F\displaystyle F가 직선 l2\displaystyle l_{2}에 접한다는 조건으로부터 m\displaystyle m, n\displaystyle n이 만족하는 관계식을 얻기 위해서, 직선 l2\displaystyle l_{2}의 방정식 y=−43x+83\displaystyle y=-\frac43x+\frac83을 포물선의 방정식에 대입하여 얻은 이차방정식x2−(2m+43)x+(m2−n−43)=0\displaystyle x^{2}-\left(2m+\frac43\right)x+\left(m^{2}-n-\frac43\right)=0 …… Ⓑ의 판별식을 D2\displaystyle D_{2}라 하면,D2=49(12m+9n+16)=0\displaystyle D_{2}=\frac49(12m+9n+16)=0 …… ②포물선 F\displaystyle F가 직선 l1\displaystyle l_{1}과 l2\displaystyle l_{2}에 동시에 접하기 위한 m\displaystyle m, n\displaystyle n의 값은 1차방정식 ①, ②를 동시에 만족해야 하므로, 구하고자 하는 상수 m\displaystyle m, n\displaystyle n의 값은 다음과 같다.m=−1760\displaystyle m=-\frac{17}{60}, n=−75\displaystyle n=-\frac75

+7점 · 정적분을 활용하여 주어진 도형의 넓이를 올바르게 유도할 수 있다.

[수학1-ⅳ]포물선 F\displaystyle F 및 직선 l1\displaystyle l_{1}과 l2\displaystyle l_{2}로 둘러싸인 도형의 넓이를 SF\displaystyle S_{F}라고 하자. 포물선 F\displaystyle F와 직선 l1\displaystyle l_{1}의 접점의 x\displaystyle x좌표의 값을 x1\displaystyle x_{1}라고 하면, x1\displaystyle x_{1}는 [수학1-ⅲ]의 2차방정식 Ⓐ의 중근이므로x1=12(2m+3)=7360\displaystyle x_{1}=\frac12(2m+3)=\frac{73}{60}같은 방법으로 포물선 F\displaystyle F와 직선 l2\displaystyle l_{2}의 접점의 x\displaystyle x좌표의 값을 x2\displaystyle x_{2}라고 하면, x2\displaystyle x_{2}는 2차방정식 Ⓑ의 중근이므로x2=12(2m+43)=2360\displaystyle x_{2}=\frac12\left(2m+\frac43\right)=\frac{23}{60}이 때, 직선 l1\displaystyle l_{1}과 직선 l2\displaystyle l_{2}의 교점의 x\displaystyle x좌표의 값이 45\displaystyle \frac45이므로, 구하고자 하는 도형의 넓이 SF\displaystyle S_{F}는 다음과 같다.SF=∫236045(x−2360)2dx+∫457360(x−7360)2dx=[13(x−2360)3]236045+[13(x−7360)3]457360=1255184+1255184=1252592\displaystyle \begin{aligned}S_{F}&=\int_{\frac{23}{60}}^{\frac45}\left(x-\frac{23}{60}\right)^{2}dx+\int_{\frac45}^{\frac{73}{60}}\left(x-\frac{73}{60}\right)^{2}dx\\&=\Biggl[\frac13\left(x-\frac{23}{60}\right)^{3}\Biggr]_{\frac{23}{60}}^{\frac45}+\Biggl[\frac13\left(x-\frac{73}{60}\right)^{3}\Biggr]_{\frac45}^{\frac{73}{60}}\\&=\frac{125}{5184}+\frac{125}{5184}=\frac{125}{2592}\end{aligned}

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