수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

<문제 1>

[가] 평면 위에 한 점 F와 그 점을 지나지 않는 한 직선 l\displaystyle l이 있을 때, 점 F와 직선 l\displaystyle l로부터의 거리가 각각 서로 같은 점의 집합을 포물선이라고 한다. 이 때 점 F를 포물선의 초점, 직선 l\displaystyle l을 포물선의 준선이라고 한다.점 F(p,0)\displaystyle \mathrm F(p,0)(단, p>0\displaystyle p>0)를 초점으로 하고 y\displaystyle y축에 평행한 직선 x=−p\displaystyle x=-p를 준선으로 하는 포물선의 방정식은 y2=4px\displaystyle y^2=4px이다. 임의의 음의 실수 α\displaystyle \alpha, 임의의 실수 β\displaystyle \beta에 대하여 좌표평면 위의 점 C(α,β)\displaystyle \mathrm C(\alpha,\beta)를 지나면서 포물선 y2=4px\displaystyle y^2=4px에 접하는 직선은 항상 두 개 존재한다. 이 두 직선이 포물선과 접하는 점을 각각 A(x0,y0)\displaystyle \mathrm A(x_0,y_0), B(x1,y1)\displaystyle \mathrm B(x_1,y_1) (단, y0>0\displaystyle y_0>0이고 y1<0\displaystyle y_1<0)라고 하자(【그림 1】 참고).

[나] 제시문 [가]에서 0<t<1\displaystyle 0<t<1인 실수 t\displaystyle t에 대하여 선분 AC를 t:(1−t)\displaystyle t:(1-t)로 내분하는 점을 P, 선분 BC를 (1−t):t\displaystyle (1-t):t로 내분하는 점을 Q, 선분 PQ를 t:(1−t)\displaystyle t:(1-t)로 내분하는 점을 R이라고 하자(【그림 2】 참고).

【그림 1】 포물선 밖의 점 C에서 그은 두 접선과 접점 A, B
【그림 2】 선분 AC, BC의 내분점 P, Q와 선분 PQ의 내분점 R

【1-1】 제시문 [가]에서 두 접점의 y\displaystyle y좌표 y0\displaystyle y_0, y1\displaystyle y_1을 α,β\displaystyle \alpha,\beta에 관한 식으로 나타내시오.

【1-2】 제시문 [가]에서 점 C(α,β)\displaystyle \mathrm C(\alpha,\beta)가 준선 위에 있으면 점 A(x0,y0)\displaystyle \mathrm A(x_0,y_0)와 점 B(x1,y1)\displaystyle \mathrm B(x_1,y_1)을 지나는 직선은 초점 F(p,0)\displaystyle \mathrm F(p,0)를 지남을 보이시오.

【1-3】 제시문 [나]에서 점 R의 좌표를 t,OA→,OB→,OC→\displaystyle t,\overrightarrow{\mathrm{OA}},\overrightarrow{\mathrm{OB}},\overrightarrow{\mathrm{OC}}를 이용하여 나타내시오(단, OA→=(x0,y0)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}}=(x_0,y_0), OB→=(x1,y1)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OB}}=(x_1,y_1), OC→=(α,β)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OC}}=(\alpha,\beta)).

【1-4】 제시문 [나]에서 점 R은 포물선 y2=4px\displaystyle y^2=4px 위에 있고, 점 R에서의 접선은 직선 PQ임을 보이시오.

해설강의 준비중

문제 [1-1]은 한 점에서 포물선에 접선을 그을 때 생기는 접점을 구할 수 있는지를 묻는 문제로 포물선 위의 점에서의 접선의 방정식에 대한 이해가 필요하다. 문제 [1-2]는 포물선의 두 접점을 지나는 직선이 언제 초점을 지나게 되는지 그 조건을 구하는 문제로 준선의 방정식이 x=−p\displaystyle x=-p임을 이용하면 해결할 수 있다. 문제 [1-3]은 선분의 내분점 벡터를 구하여 연립하는 문제이며, 문제 [1-4]는 주어진 점이 포물선 위에 있는지를 보이고, 어떤 직선이 포물선의 접선이 되는지를 묻는 문제이다. 선분의 내분점 벡터를 구하는 방법, 직선의 방향벡터를 구하는 방법, 매개변수로 주어진 곡선의 속도벡터를 구하는 방법 등 단원에 대한 종합적인 이해가 필요하다.

1-1 · 포물선의 접선의 방정식을 구하고 이를 근의 공식을 이용하여 풀이하는 과정을 평가한다.

【1-1】 점 (u24p,u)\displaystyle (\frac{u^2}{4p},u)에서 포물선 y2=4px\displaystyle y^2=4px과 접하는 직선의 방정식은 y−u=2pu(x−u24p)\displaystyle y-u=\frac{2p}u(x-\frac{u^2}{4p}),즉 y=2pux+u2\displaystyle y=\frac{2p}ux+\frac u2이다. 이 직선이 점 (α,β)\displaystyle (\alpha,\beta)를 지나면 β=2puα+u2\displaystyle \beta=\frac{2p}u\alpha+\frac u2이다.이 식을 정리하면 u2−2βu+pα=0\displaystyle u^2-2\beta u+p\alpha=0이므로 u=β±β2+4pα\displaystyle u=\beta\pm\sqrt{\beta^2+4p\alpha}이다.Correction. 정리한 이차방정식의 상수항 pα\displaystyle p\alpha는 4pα\displaystyle 4p\alpha의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.Correction. 근의 공식에서 근호 안의 β2+4pα\displaystyle \beta^2+4p\alpha는 β2−4pα\displaystyle \beta^2-4p\alpha의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.그러므로 y0=β+β2−4pα\displaystyle y_0=\beta+\sqrt{\beta^2-4p\alpha}이고 y1=β−β2−4pα\displaystyle y_1=\beta-\sqrt{\beta^2-4p\alpha}이다.

1-2 · 포물선의 성질과 두 점을 지나는 직선의 방정식을 이용하여 해당 직선이 초점을 지남을 보이는 과정을 평가한다. 또한, 직선과 포물선이 만나는 두 점을 이용한 삼각형의 닮은꼴과 내분점 공식을 이용하여 해당 직선의 x\displaystyle x절편이 초점과 동일함을 보이는 것으로 풀이할 수도 있음을 밝힌다.

【1-2】 α=−p\displaystyle \alpha=-p인 경우 【1-1】의 답안에 의해 y0=β+β2+4p2\displaystyle y_0=\beta+\sqrt{\beta^2+4p^2}이고 y1=β−β2+4p2\displaystyle y_1=\beta-\sqrt{\beta^2+4p^2}이므로x1−x0=y12−y024p=(y1−y0)(y1+y0)4p=−ββ2+4p2p\displaystyle x_1-x_0=\frac{y_1^2-y_0^2}{4p}=\frac{(y_1-y_0)(y_1+y_0)}{4p}=-\frac{\beta\sqrt{\beta^2+4p^2}}p이다.β=0\displaystyle \beta=0이면 (x0,y0)=(p,2p)\displaystyle (x_0,y_0)=(p,2p)이고 (x1,y1)=(p,−2p)\displaystyle (x_1,y_1)=(p,-2p)이므로 두 점을 지나는 직선은 초점 F(p,0)\displaystyle \mathrm F(p,0)을 지난다. β≠0\displaystyle \beta\ne0이면 x1−x0≠0\displaystyle x_1-x_0\ne0이고 점 (x0,y0)\displaystyle (x_0,y_0)과 점 (x1,y1)\displaystyle (x_1,y_1)를 지나는 y−y0=y1−y0x1−x0(x−x0)\displaystyle y-y_0=\frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}(x-x_0)이다.그런데 y1−y0x1−x0=4py1+y0=2pβ\displaystyle \frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}=\frac{4p}{y_1+y_0}=\frac{2p}\beta이므로 이 직선의 방정식은 y=2pβx−2pβx0+y0\displaystyle y=\frac{2p}\beta x-\frac{2p}\beta x_0+y_0을 얻는다.x=p\displaystyle x=p를 대입하면 우변은 2p2β−2pβx0+y0\displaystyle \frac{2p^2}\beta-\frac{2p}\beta x_0+y_0이다.여기에 x0=y024p=β2+(β2+4p2)+2ββ2+4p24p=4p2+2βy04p=p+β2py0———-(1)\displaystyle x_0=\frac{y_0^2}{4p}=\frac{\beta^2+(\beta^2+4p^2)+2\beta\sqrt{\beta^2+4p^2}}{4p}=\frac{4p^2+2\beta y_0}{4p}=p+\frac\beta{2p}y_0\quad\text{----------(1)}을 대입하면 2p2β−2pβ0(p+β2py0)+y0=0\displaystyle \frac{2p^2}\beta-\frac{2p}{\beta_0}(p+\frac\beta{2p}y_0)+y_0=0이므로 이 직선은 (p,0)\displaystyle (p,0)을 지난다.Correction. 마지막 대입식에서 분모의 β0\displaystyle \beta_0는 β\displaystyle \beta의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

1-3 · 선분의 내분점을 이용하여 식을 전개해 나가는 과정을 평가한다.

【1-3】 내분점 공식에 의해 OR→=(1−t)OP→+tOQ→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}=(1-t)\overrightarrow{\mathrm{OP}}+t\overrightarrow{\mathrm{OQ}}이다.그런데 OP→=(1−t)OA→+tOC→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}=(1-t)\overrightarrow{\mathrm{OA}}+t\overrightarrow{\mathrm{OC}}이고 OQ→=(1−t)OC→+tOB→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}}=(1-t)\overrightarrow{\mathrm{OC}}+t\overrightarrow{\mathrm{OB}}이므로OR→=(1−t)2OA→+2t(1−t)OC→+t2OB→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}=(1-t)^2\overrightarrow{\mathrm{OA}}+2t(1-t)\overrightarrow{\mathrm{OC}}+t^2\overrightarrow{\mathrm{OB}}로 나타낼 수 있다.

1-4 · 문제의 조건을 통하여 점 R의 좌표를 표현하고 해당 좌표가 포물선 위에 있음을 보인다. 또한 해당 좌표에서의 접선의 기울기가 직선 PQ의 기울기와 동일함을 계산하는 과정을 평가한다.

【1-4】 (i) 점 R은 포물선 y2=4px\displaystyle y^2=4px 위에 있다.[1-3]에 의하여 OR→=((1−t)2x0+2t(1−t)α+t2x1,(1−t)2y0+2t(1−t)β+t2y1)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}=((1-t)^2x_0+2t(1-t)\alpha+t^2x_1,(1-t)^2y_0+2t(1-t)\beta+t^2y_1)이다.(1)과 같은 방법으로 계산하면 x0=−α+βy02p\displaystyle x_0=-\alpha+\frac{\beta y_0}{2p}, x1=−α+βy12p\displaystyle x_1=-\alpha+\frac{\beta y_1}{2p}이고, 이 값을 위의 식에 대입하면 OR→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}의 x\displaystyle x좌표는 (−4t2+4t−1)α+(1−t)2βy02p+t2βy12p\displaystyle (-4t^2+4t-1)\alpha+(1-t)^2\frac{\beta y_0}{2p}+t^2\frac{\beta y_1}{2p}이다.그런데 y0+y1=2β\displaystyle y_0+y_1=2\beta이므로 이 식은 (−4t2+4t−1)α+(1−2t)βy02p+t2β2p——-(2)\displaystyle (-4t^2+4t-1)\alpha+\frac{(1-2t)\beta y_0}{2p}+\frac{t^2\beta^2}p\quad\text{-------(2)}이다.이 값을 X\displaystyle X라 하자. 같은 방법으로 OR→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}의 y\displaystyle y좌표는 (1−2t)y0+2tβ\displaystyle (1-2t)y_0+2t\beta임을 보일 수 있다.이 값을 Y\displaystyle Y라고 하자. 이제 Y2=4pX\displaystyle Y^2=4pX임을 보이자.14pY2=14p((1−2t)2y02+4t2β2+2t(1−2t)y0β)=\displaystyle \frac1{4p}Y^2=\frac1{4p}((1-2t)^2y_0^2+4t^2\beta^2+2t(1-2t)y_0\beta)=Correction. 제곱을 전개한 교차항 2t(1−2t)y0β\displaystyle 2t(1-2t)y_0\beta는 4t(1−2t)y0β\displaystyle 4t(1-2t)y_0\beta의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.−(1−2t)2α+(1−2t)2βy02p+t2β2p+t(1−2t)y0β2p\displaystyle -(1-2t)^2\alpha+\frac{(1-2t)^2\beta y_0}{2p}+\frac{t^2\beta^2}p+\frac{t(1-2t)y_0\beta}{2p}이므로 (2)에 의해 Y2=4pX\displaystyle Y^2=4pX이다.Correction. 마지막 항 t(1−2t)y0β2p\displaystyle \frac{t(1-2t)y_0\beta}{2p}는 t(1−2t)y0βp\displaystyle \frac{t(1-2t)y_0\beta}{p}의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.(ii) 점 R에서의 접선은 직선 PQ이다. 점 R은 선분 PQ의 내분점이므로 직선 PQ 위에 있다. 그러므로 직선 PQ가 접선임을 보이기 위해서는 직선 PQ의 (크기가 1인) 방향벡터와 접선의 (크기가 1인) 방향벡터가 같음을 보이면 된다.PQ→=OQ→−OP→=((1−t)OC→+tOB→)−((1−t)OA→+tOC→)=t(OA→+OB→−2OC→)+(−OA→+OC→)——–(3)\displaystyle \begin{aligned}\overrightarrow{\mathrm{PQ}}&=\overrightarrow{\mathrm{OQ}}-\overrightarrow{\mathrm{OP}}\\&=((1-t)\overrightarrow{\mathrm{OC}}+t\overrightarrow{\mathrm{OB}})-((1-t)\overrightarrow{\mathrm{OA}}+t\overrightarrow{\mathrm{OC}})\\&=t(\overrightarrow{\mathrm{OA}}+\overrightarrow{\mathrm{OB}}-2\overrightarrow{\mathrm{OC}})+(-\overrightarrow{\mathrm{OA}}+\overrightarrow{\mathrm{OC}})\quad\text{--------(3)}\end{aligned}이다.t\displaystyle t가 0과 1 사이를 움직일 때 점 R이 움직이는 자취는 t\displaystyle t로 매개화된 곡선이다.벡터 OR→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}을 (f(t),g(t))\displaystyle (f(t),g(t))라고 하면 OR→=(1−t)2OA→+2t(1−t)OC→+t2OB→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}=(1-t)^2\overrightarrow{\mathrm{OA}}+2t(1-t)\overrightarrow{\mathrm{OC}}+t^2\overrightarrow{\mathrm{OB}}이므로점 R에서 속도벡터는 (f′(t),g′(t))=−2(1−t)OA→+2(1−2t)OC→+2tOB→=2(t(OA→+OB→−2OC→)+(−OA→+OC→))=2PQ→\displaystyle \begin{aligned}(f^{\prime}(t),g^{\prime}(t))&=-2(1-t)\overrightarrow{\mathrm{OA}}+2(1-2t)\overrightarrow{\mathrm{OC}}+2t\overrightarrow{\mathrm{OB}}\\&=2(t(\overrightarrow{\mathrm{OA}}+\overrightarrow{\mathrm{OB}}-2\overrightarrow{\mathrm{OC}})+(-\overrightarrow{\mathrm{OA}}+\overrightarrow{\mathrm{OC}}))\\&=2\overrightarrow{\mathrm{PQ}}\end{aligned}이다. 그러므로 두 직선은 점 R을 지나고 같은 방향벡터를 가지므로 서로 일치한다.

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