수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

(1) 타원 C1\displaystyle C_1 위의 한 점을 P(x,y)\displaystyle \mathrm P(x,y)라 하고, 점 P\displaystyle \mathrm P를 직선 y=x3\displaystyle y=x-3에 대하여 대칭이동한 점을 P(x,y)\displaystyle \mathrm P^{\prime}(x^{\prime},y^{\prime})이라고 하면yyxx=1\displaystyle \frac{y^{\prime}-y}{x^{\prime}-x}=-1, 즉 x+y=x+y\displaystyle x+y=x^{\prime}+y^{\prime}이다. 또 선분 PP\displaystyle \mathrm{PP}^{\prime}의 중점이 직선 y=x3\displaystyle y=x-3 위에 있으므로 y+y2=x+x23\displaystyle \frac{y+y^{\prime}}2=\frac{x+x^{\prime}}2-3, 즉 xy=x+y+6\displaystyle x-y=-x^{\prime}+y^{\prime}+6이다. 따라서 x=y+3\displaystyle x=y^{\prime}+3, y=x3\displaystyle y=x^{\prime}-3이 되고, 점 P\displaystyle \mathrm P가 타원 C1\displaystyle C_1 위에 있으므로 (y+3)24+(x3)2=1\displaystyle \frac{(y^{\prime}+3)^2}4+(x^{\prime}-3)^2=1이 성립한다. 그러므로 타원 C2\displaystyle C_2의 방정식은 다음과 같다.(x3)2+(y+3)24=1\displaystyle (x-3)^2+\frac{(y+3)^2}4=1

(2) 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}의 길이가 최소일 때의 곡선 C1\displaystyle C_1 위의 점을 P0\displaystyle \mathrm P_0, 곡선 C2\displaystyle C_2 위의 점을 Q0\displaystyle \mathrm Q_0라 하자. 그러면 곡선 C1\displaystyle C_1 위의 점 P0\displaystyle \mathrm P_0에서의 접선과 곡선 C2\displaystyle C_2 위의 점 Q0\displaystyle \mathrm Q_0에서의 접선은 모두 직선 y=x3\displaystyle y=x-3에 평행하고, 두 점 P0\displaystyle \mathrm P_0, Q0\displaystyle \mathrm Q_0는 직선 y=x3\displaystyle y=x-3에 대하여 대칭이다.접선의 기울기가 1이 되는 곡선 C1\displaystyle C_1 위의 점을 구하기 위해, 방정식 x24+y2=1\displaystyle \frac{x^2}4+y^2=1의 양변을 x\displaystyle x에 대하여 미분하면 x2+2ydydx=0\displaystyle \frac x2+2y\frac{dy}{dx}=0이므로 dydx=x4y\displaystyle \frac{dy}{dx}=-\frac x{4y}이다. 두 식x4y=1,x24+y2=1\displaystyle -\frac x{4y}=1,\quad\frac{x^2}4+y^2=1을 연립하여 풀면 두 점 (455,55)\displaystyle \left(\frac{4\sqrt5}5,-\frac{\sqrt5}5\right), (455,55)\displaystyle \left(-\frac{4\sqrt5}5,\frac{\sqrt5}5\right)을 얻는다. 이 중에서 직선 y=x3\displaystyle y=x-3에 가장 가까운 점이 P0(455,55)\displaystyle \mathrm P_0\left(\frac{4\sqrt5}5,-\frac{\sqrt5}5\right)이다. 한편, 점 Q0\displaystyle \mathrm Q_0는 점 P0\displaystyle \mathrm P_0를 직선 y=x3\displaystyle y=x-3에 대하여 대칭이동한 점이므로, 두 점 P0\displaystyle \mathrm P_0, Q0\displaystyle \mathrm Q_0 사이의 거리는 점 P0\displaystyle \mathrm P_0와 직선 y=x3\displaystyle y=x-3 사이의 거리의 2배가 된다. 따라서 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}의 길이의 최솟값은P0Q0=2455+55312+(1)2=3210\displaystyle \overline{\mathrm P_0\mathrm Q_0}=2\frac{\left|\frac{4\sqrt5}5+\frac{\sqrt5}5-3\right|}{\sqrt{1^2+(-1)^2}}=3\sqrt2-\sqrt{10}이다.

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