성균관대 2021학년도 수시 자연계 3교시 수학1 · mathesis.kr/archive/skku/2021su/jayeongyo3_1
문제
[수학1] 다음 <제시문1>~<제시문2>를 읽고 [수학1-ⅰ]~[수학1-ⅳ]를 문항별로 풀이와 함께 답하시오.
<제시문1>두 함수 와 가 닫힌구간 에서 연속일 때, 두 곡선 , 및 두 직선 , 로 둘러싸인 도형의 넓이 는 다음과 같다.
<제시문2>곡선 (단, , )가 축과 만나는 점을 , 축과 만나는 점을 라고 하고, 곡선 및 축과 축으로 둘러싸인 도형을 라고 하자. 또한 원점 를 포함하는 선분 위의 임의의 점을 , 선분 위의 임의의 점을 라고 하자.
[수학1-ⅰ] <제시문2>의 두 점 와 를 지나고 도형 의 넓이를 이등분하는 직선 중 원점 와의 거리가 가장 가까운 직선 과 가장 먼 직선 의 방정식을 각각 구하고 그 이유를 논하시오.
[수학1-ⅱ] 문항 [수학1-ⅰ]에서 구한 직선 위의 점 중에서 원점 와의 거리가 최소인 점을 , 문항 [수학1-ⅰ]에서 구한 직선 위의 점 중에서 원점 와의 거리가 최소인 점을 라고 할 때, 삼각형 의 넓이를 구하고 그 이유를 논하시오.
[수학1-ⅲ] 포물선 를 축 방향으로 만큼, 축 방향으로 만큼 평행이동 하였더니 문항 [수학1-ⅰ]에서 구한 직선 과 에 동시에 접하는 포물선 를 얻게 되었다. 이때 상수 , 의 값을 구하고 그 이유를 논하시오.
[수학1-ⅳ] 문항 [수학1-ⅲ]에서 구한 포물선 및 문항 [수학1-ⅰ]에서 구한 직선 과 로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하고 그 이유를 논하시오.
성균관대 2021학년도 수시 자연계 3교시 수학1 · mathesis.kr/archive/skku/2021su/jayeongyo3_1
[수학1-ⅰ]도형 의 넓이 는점 와 를 지나고 도형 의 넓이를 이등분하는 직선 의 방정식은 (단, , )이고, 여기서 와 는 다음의 관계식을 만족한다. …… ①왜냐하면, 직선 이 도형 의 넓이 를 이등분한다는 조건으로부터 직선 및 축, 축으로 둘러싸인 삼각형의 넓이가 와 같아야 하기 때문이다. 즉, 이다.
(참고로, 점 와 가 같은 경우를 고려하면 원점 를 지나고 도형 의 넓이를 이등분하는 직선이 원점과의 거리가 으로 가장 가까운 직선이 되지만, [수학1-ⅱ]에서 구하고자 하는 점 이 원점 와 같아지기 때문에 삼각형 를 정의할 수 없다. 따라서 점 와 는 서로 다른 두 점으로 이해되어야 한다.)
그러므로, 직선 의 방정식은 이고, 두 부등식 , 로부터 아래와 같이 의 범위를 얻을 수 있다.원점 와 직선 사이의 거리는이므로 원점과 직선 사이의 거리가 최소가 되기 위해서는 의 값이 최대, 반대로 거리가 최대가 되기 위해서는 의 값이 최소가 되어야 한다. 따라서, 와 가 만족하는 관계식 ①을 이용하여 을 에 대한 함수 으로 나타내고, 닫힌구간 에서 함수 의 최대, 최소를 이해하여야 한다. 이에 함수 의 도함수를 활용하여 의 증가와 감소를 아래와 같이 표로 나타낸다. 이므로 에서
| ⋯ | 2 | ||
|---|---|---|---|
| − | − | − | |
| ↘ |
따라서 함수 는 일 때 최댓값을, 일 때 최솟값을 가진다. 즉, 원점과 직선 사이의 거리는 일 때 최솟값을, 일 때 최댓값을 가진다. 그러므로 직선 과 직선 의 방정식은 다음과 같다.,
[수학1-ⅱ]점 은 직선 위의 점 중에서 원점과의 거리가 최소인 점이므로, 점 는 원점을 지나고 직선 에 수직인 직선과 직선 과의 교점이다. 이 때 원점을 지나고 직선 에 수직인 직선의 방정식은 이므로, 직선 과의 교점을 구하면 점 은 다음과 같다.위와 같은 방법으로 점 는 원점을 지나고 직선 에 수직인 직선과 직선 와의 교점이다. 원점을 지나고 직선 에 수직인 직선의 방정식은 이므로, 직선 와의 교점을 구하면 점 는 다음과 같다.점 과 직선 사이의 거리를 라고 하고 선분 의 길이를 라고 하면, 삼각형 의 넓이 는 다음과 같다.이때 점 와 직선 사이의 거리 는선분 의 길이 는그러므로 삼각형 의 넓이는 이다.
[수학1-ⅲ]포물선 를 축 방향으로 만큼 축 방향으로 만큼 평행이동한 포물선 의 방정식은 다음과 같다.포물선 가 직선 에 접한다는 조건으로부터 , 이 만족해야 하는 관계식을 얻기 위해서, 직선 의 방정식 를 포물선의 방정식에 대입하여 얻은 이차방정식 …… Ⓐ의 판별식을 이라 하면, …… ①같은 방법으로 포물선 가 직선 에 접한다는 조건으로부터 , 이 만족하는 관계식을 얻기 위해서, 직선 의 방정식 을 포물선의 방정식에 대입하여 얻은 이차방정식 …… Ⓑ의 판별식을 라 하면, …… ②포물선 가 직선 과 에 동시에 접하기 위한 , 의 값은 1차방정식 ①, ②를 동시에 만족해야 하므로, 구하고자 하는 상수 , 의 값은 다음과 같다.,
[수학1-ⅳ]포물선 및 직선 과 로 둘러싸인 도형의 넓이를 라고 하자. 포물선 와 직선 의 접점의 좌표의 값을 라고 하면, 는 [수학1-ⅲ]의 2차방정식 Ⓐ의 중근이므로같은 방법으로 포물선 와 직선 의 접점의 좌표의 값을 라고 하면, 는 2차방정식 Ⓑ의 중근이므로이 때, 직선 과 직선 의 교점의 좌표의 값이 이므로, 구하고자 하는 도형의 넓이 는 다음과 같다.
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