수리논술, 이게 다다.

자연계 1교시 2번

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문제

[문제 2] 다음 <제시문 1> ~ <제시문 3>을 읽고 [문제 2-ⅰ] ~ [문제 2-ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (40점)

<제시문 1>기울기가 양수이고 서로 평행인 두 직선 L1\displaystyle L_{1}과 L2\displaystyle L_{2}의 y\displaystyle y절편을 각각 p\displaystyle p와 0\displaystyle 0이라 하자.(단, p>0\displaystyle p>0) 직선 L1\displaystyle L_{1}이 이차함수 y=x2\displaystyle y=x^{2}의 그래프와 만나는 두 점을 x\displaystyle x좌표의 값이 작은 것부터 A,D\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{D}라 하고, 직선 L2\displaystyle L_{2}가 이차함수 y=x2\displaystyle y=x^{2}의 그래프와 만나는 두 점을 x\displaystyle x좌표의 값이 작은 것부터 B,C\displaystyle \mathrm{B},\mathrm{C}라 하자. 사각형 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}의 두 대각선의 교점을 P\displaystyle \mathrm{P}, 선분 AD\displaystyle \mathrm{AD}의 중점을 M1\displaystyle \mathrm{M}_{1}, 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 중점을 M2\displaystyle \mathrm{M}_{2}라 하자.

<제시문 2>이차함수 y=x2\displaystyle y=x^{2}과 반지름이 r\displaystyle r인 원이 다음 세 조건을 만족시킨다.· 원의 중심의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표가 모두 정수이다.· 이차함수 y=x2\displaystyle y=x^{2}과 원이 서로 다른 네 점에서 만나고, 교점의 y\displaystyle y좌표는 모두 정수이다.· 네 교점을 꼭짓점으로 하는 사각형은 사다리꼴이다.

<제시문 3>최고차항의 계수가 −1\displaystyle -1인 사차함수 y=g(x)\displaystyle y=g(x)가 g(x)=g(−x)\displaystyle g(x)=g(-x)를 만족하고, x\displaystyle x축과 x1,x2,x3,x4\displaystyle x_{1},x_{2},x_{3},x_{4}에서 만난다. 또한, 사차함수 y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프와 이차함수 y=x2\displaystyle y=x^{2}의 그래프가 서로 다른 네 점 Q,R,S,T\displaystyle \mathrm{Q},\mathrm{R},\mathrm{S},\mathrm{T}에서 만난다고 가정하자.(단, x1<x2<x3<x4\displaystyle x_{1}<x_{2}<x_{3}<x_{4}이고, xk(k=1,2,3,4)\displaystyle x_{k}(k=1,2,3,4)는 정수가 아니다.)

[문제 2-ⅰ] <제시문 1>에서 PM1‾=5\displaystyle \overline{\mathrm{PM}_{1}}=5이고 PM2‾=1\displaystyle \overline{\mathrm{PM}_{2}}=1일 때, 사각형 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}의 넓이를 구하고 그 이유를 논하시오.

[문제 2-ⅱ] <제시문 2>에서 r=4\displaystyle r=4일 때, 사다리꼴의 넓이를 모두 구하고 그 이유를 논하시오.

[문제 2-ⅲ] 양의 정수 m,n\displaystyle m,n에 대해 <제시문 3>에서 x3=m\displaystyle x_{3}=\sqrt{m}, x4=n\displaystyle x_{4}=\sqrt{n}이고, 네 점 Q,R,S,T\displaystyle \mathrm{Q},\mathrm{R},\mathrm{S},\mathrm{T}를 지나는 원의 반지름이 10\displaystyle 10이라 하자. 이때, <제시문 3>을 만족하는 양의 정수 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)의 개수를 구하고 그 이유를 논하시오.

해설강의 준비중

[문제 2-ⅰ]

+10점 · 직선의 방정식을 올바르게 구하고, 이차방정식의 근과 계수의 관계를 올바르게 적용할 수 있다.

두 직선 L1,L2\displaystyle L_{1},L_{2}의 기울기를 k\displaystyle k라 하면, 두 직선의 방정식은L1:y=kx+p,L2:y=kx\displaystyle L_{1}:y=kx+p,\quad L_{2}:y=kx이다. L2\displaystyle L_{2}와 y=x2\displaystyle y=x^{2}의 교점은 B(0,0)\displaystyle \mathrm{B}(0,0)와 C(k,k2)\displaystyle \mathrm{C}(k,k^{2})이고, 이로부터 M2(k2,k22)\displaystyle \mathrm{M}_{2}\left(\frac{k}{2},\frac{k^{2}}{2}\right)이다.두 점 A,D\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{D}의 x\displaystyle x좌표를 각각 x1,x2\displaystyle x_{1},x_{2}라 하면, 이차방정식 x2−kx−p=0\displaystyle x^{2}-kx-p=0의 해이므로x1+x2=k,x1x2=−p\displaystyle x_{1}+x_{2}=k,\qquad x_{1}x_{2}=-p와 M1(k2,k22+p)\displaystyle \mathrm{M}_{1}\left(\frac{k}{2},\frac{k^{2}}{2}+p\right)를 얻을 수 있다. 두 점 M1,M2\displaystyle \mathrm{M}_{1},\mathrm{M}_{2}의 x\displaystyle x좌표가 같고 PM1‾=5\displaystyle \overline{\mathrm{PM}_{1}}=5, PM2‾=1\displaystyle \overline{\mathrm{PM}_{2}}=1이므로,P(k2,k22+1),M1M2‾=p=6\displaystyle \mathrm{P}\left(\frac{k}{2},\frac{k^{2}}{2}+1\right),\qquad\overline{\mathrm{M}_{1}\mathrm{M}_{2}}=p=6이다. 직선 BP\displaystyle \mathrm{BP}의 방정식이 y=(k22+1k2)x=(k2+2k)x\displaystyle y=\left(\frac{\frac{k^{2}}{2}+1}{\frac{k}{2}}\right)x=\left(\frac{k^{2}+2}{k}\right)x이고, 이 직선과 그래프 y=x2\displaystyle y=x^{2}의 교점 중의 하나가 점 D\displaystyle \mathrm{D}이므로,(x2,kx2+p)=(k2+2k,(k2+2k)2)\displaystyle (x_{2},kx_{2}+p)=\left(\frac{k^{2}+2}{k},\left(\frac{k^{2}+2}{k}\right)^{2}\right)를 얻게 된다. 즉,kx2+p=k(k+2k)+6=k2+8=(k2+2k)2\displaystyle kx_{2}+p=k\left(k+\frac{2}{k}\right)+6=k^{2}+8=\left(\frac{k^{2}+2}{k}\right)^{2}이고, 이를 정리하면 k=1\displaystyle k=1이다.따라서, 점 A(−2,4),B(0,0),C(1,1),D(3,9)\displaystyle \mathrm{A}(-2,4),\mathrm{B}(0,0),\mathrm{C}(1,1),\mathrm{D}(3,9)의 좌표를 얻게 되고, 이 네 점을 꼭짓점으로 하는 사각형은 사다리꼴이므로 그 넓이는(52+2)×62×12=18\displaystyle (5\sqrt{2}+\sqrt{2})\times\frac{6}{\sqrt{2}}\times\frac{1}{2}=18이다.

[문제 2-ⅱ]

+15점 · 직선의 방정식과 원의 방정식을 올바르게 구할 수 있다.

y=x2\displaystyle y=x^{2}과 원의 교점을 x\displaystyle x좌표의 값이 작은 순으로 A,B,C,D\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B},\mathrm{C},\mathrm{D}라고 하자. <제시문 1>과 같이 사각형 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}의 두 대각선의 교점을 P\displaystyle \mathrm{P}, 선분 AD\displaystyle \mathrm{AD}의 중점을 M1\displaystyle \mathrm{M}_{1}, 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 중점을 M2\displaystyle \mathrm{M}_{2}라고 하자.직선 y=kx+p\displaystyle y=kx+p가 y=x2\displaystyle y=x^{2}의 두 교점의 x\displaystyle x좌표값의 합은 항상 k\displaystyle k이다. <제시문 2>의 조건으로부터 두 직선 AD\displaystyle \mathrm{AD}와 BC\displaystyle \mathrm{BC}가 서로 평행이고, 그 기울기를 k\displaystyle k라 하면, M1\displaystyle \mathrm{M}_{1}과 M2\displaystyle \mathrm{M}_{2}는 y\displaystyle y축과 평행한 직선 x=k2\displaystyle x=\frac{k}{2} 위에 놓이게 된다. <제시문 2>의 조건에 의해 A,B,C,D\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B},\mathrm{C},\mathrm{D}가 한 원 위에 있으므로, 선분 M1M2\displaystyle \mathrm{M}_{1}\mathrm{M}_{2}는 원의 중심을 지나게 되고 두 직선 AD\displaystyle \mathrm{AD}와 BC\displaystyle \mathrm{BC}는 수직이다. 따라서, k=0\displaystyle k=0이다.Correction. 서로 수직인 것은 AD\displaystyle AD와 BC\displaystyle BC가 아니라, 선분 M1M2\displaystyle M_1M_2와 두 직선 AD\displaystyle AD, BC\displaystyle BC 각각이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.이제, 점 C,D\displaystyle \mathrm{C},\mathrm{D}가 y=x2\displaystyle y=x^{2} 위의 점이므로, C(a,a),D(b,b) (b>a>0)\displaystyle \mathrm{C}(\sqrt{a},a),\mathrm{D}(\sqrt{b},b)\ (b>a>0)라 하자. 점 A,B,C,D\displaystyle \mathrm{A},\mathrm{B},\mathrm{C},\mathrm{D}를 지나는 원의 방정식을 x2+(y−k)2=r2\displaystyle x^{2}+(y-k)^{2}=r^{2}이라 하면,y2+(1−2k)y+k2−r2=0\displaystyle y^{2}+(1-2k)y+k^{2}-r^{2}=0의 두 근이 a,b\displaystyle a,b이므로, 근과 계수의 관계에 의해a+b=2k−1, ab=k2−r2\displaystyle a+b=2k-1,\ ab=k^{2}-r^{2}이다. 따라서, k=a+b+12\displaystyle k=\frac{a+b+1}{2}, r2=(a+b+12)2−ab\displaystyle r^{2}=\left(\frac{a+b+1}{2}\right)^{2}-ab이다. r=4\displaystyle r=4이므로 (a+b+12)2−ab=16\displaystyle \left(\frac{a+b+1}{2}\right)^{2}-ab=16이고 <제시문 2>의 조건으로부터 a+b+12\displaystyle \frac{a+b+1}{2}는 정수이다. 이 식을 정리하면 (b−a)2+2(a+b)=63\displaystyle (b-a)^{2}+2(a+b)=63이고 b−a\displaystyle b-a는 홀수이다. 이로부터 가능한 경우는 다음 표와 같다.b−ab+aab13115163271215519712\displaystyle \begin{array}{|c|c|c|c|} \hline b-a & b+a & a & b \\ \hline 1 & 31 & 15 & 16 \\ \hline 3 & 27 & 12 & 15 \\ \hline 5 & 19 & 7 & 12 \\ \hline \end{array}사다리꼴 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}의 넓이는 (b+a)(b−a)\displaystyle (\sqrt{b}+\sqrt{a})(b-a)이므로 각 경우의 넓이는16+15,3(15+12),5(12+7)\displaystyle \sqrt{16}+\sqrt{15},\quad3(\sqrt{15}+\sqrt{12}),\quad5(\sqrt{12}+\sqrt{7})이다.

[문제 2-ⅲ]

+15점 · 이차함수와 사차함수를 이해하고, 이로부터 원의 방정식을 올바르게 유도할 수 있다.

<제시문 3>의 조건과 x3=m\displaystyle x_{3}=\sqrt{m}, x4=n\displaystyle x_{4}=\sqrt{n}이므로 g(x)=−(x2−m)(x2−n)\displaystyle g(x)=-(x^{2}-m)(x^{2}-n)이다. y=x2\displaystyle y=x^{2}과 y=g(x)\displaystyle y=g(x)가 네 개의 점에서 만나기 위해서는 y=−(y−m)(y−n)\displaystyle y=-(y-m)(y-n), 즉y2−(m+n−1)y+mn=0\displaystyle y^{2}-(m+n-1)y+mn=0이 서로 다른 두 실근 a,b (0<a<b)\displaystyle a,b\ (0<a<b)를 가져야 한다. 따라서,D=(m+n−1)2−4mn=(m−n)2−2(m+n)+1>0⋯⋯\displaystyle D=(m+n-1)^{2}-4mn=(m-n)^{2}-2(m+n)+1>0\qquad\cdots\cdots①이다. 한편, S(a,a),T(b,b)\displaystyle \mathrm{S}(\sqrt{a},a),\mathrm{T}(\sqrt{b},b)라 하면, 네 점 Q,R,S,T\displaystyle \mathrm{Q},\mathrm{R},\mathrm{S},\mathrm{T}를 지나는 원의 방정식은 [문제 2-ⅱ]에서와 같이x2+(y−a+b+12)2=(a+b+12)2−ab\displaystyle x^{2}+\left(y-\frac{a+b+1}{2}\right)^{2}=\left(\frac{a+b+1}{2}\right)^{2}-ab이다. 근과 계수의 관계로부터a+b=m+n−1, ab=mn\displaystyle a+b=m+n-1,\ ab=mn이므로, 원의 방정식은x2+(y−m+n2)2=(m−n2)2\displaystyle x^{2}+\left(y-\frac{m+n}{2}\right)^{2}=\left(\frac{m-n}{2}\right)^{2}이고, n−m=20\displaystyle n-m=20이다. 이를 ①에 대입하면 m+n≤200\displaystyle m+n\le200이 성립한다. 따라서, 가능한 순서쌍 (m,n)\displaystyle (m,n)은(1,21),(2,22), ⋯ , (90,110)\displaystyle (1,21),(2,22),\ \cdots,\ (90,110)이다. 이 중에서 완전제곱수인 m\displaystyle m은 m=1,4,9,16,25,36,49,64,81\displaystyle m=1,4,9,16,25,36,49,64,81의 9\displaystyle 9가지이고, 완전제곱수인 n\displaystyle n은 n=25,36,49,64,81,100\displaystyle n=25,36,49,64,81,100의 6\displaystyle 6가지이다. 여기서 (m,n)=(16,36)\displaystyle (m,n)=(16,36)은 중복해서 발생하므로 9+6−1=14\displaystyle 9+6-1=14가지를 제외해야 한다. 따라서, 문제의 개수는 90−14=76\displaystyle 90-14=76이다.

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