수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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(1) 점 P\displaystyle \mathrm P, Q\displaystyle \mathrm Q, R\displaystyle \mathrm R, S\displaystyle \mathrm S가 모두 한 원 위의 점이고 원의 중심과 R\displaystyle \mathrm R, S\displaystyle \mathrm Sy\displaystyle y축 위에 있으므로 RPS\displaystyle \angle\mathrm{RPS}, SQR\displaystyle \angle\mathrm{SQR}은 직각이다. 주어진 조건을 만족하는 점 Q\displaystyle \mathrm Q의 좌표를 (r,ar2+c)\displaystyle (r,-ar^2+c)라고 하면 위의 점을 지나는 직선의 방정식은 다음과 같다.직선 PR\displaystyle \mathrm{PR} = 점 P\displaystyle \mathrm P에서의 접선 : y=2x1\displaystyle y=2x-1직선 PS\displaystyle \mathrm{PS} = 점 P\displaystyle \mathrm P에서의 접선에 수직이고 점 P\displaystyle \mathrm P를 지나는 직선 : y=12x+32\displaystyle y=-\frac12x+\frac32직선 QS\displaystyle \mathrm{QS} = 점 Q\displaystyle \mathrm Q에서의 접선 : y=2arx+ar2+c\displaystyle y=-2arx+ar^2+c직선 QR\displaystyle \mathrm{QR} = 점 Q\displaystyle \mathrm Q에서의 접선에 수직이고 점 Q\displaystyle \mathrm Q를 지나는 직선 : y=12arxar212a+c\displaystyle y=\frac1{2ar}x-ar^2-\frac1{2a}+c따라서 다음이 성립한다.[점 R\displaystyle \mathrm Ry\displaystyle y좌표] = [직선 PR\displaystyle \mathrm{PR}y\displaystyle y절편] = [직선 QR\displaystyle \mathrm{QR}y\displaystyle y절편][점 S\displaystyle \mathrm Sy\displaystyle y좌표] = [직선 QS\displaystyle \mathrm{QS}y\displaystyle y절편] = [직선 PS\displaystyle \mathrm{PS}y\displaystyle y절편]위로부터1=ar212a+car2=12a+c+1\displaystyle -1=-ar^2-\frac1{2a}+c\Rightarrow ar^2=-\frac1{2a}+c+1 …… ㉠32=ar2+car2=32c\displaystyle \frac32=ar^2+c\Rightarrow ar^2=\frac32-c …… ㉡를 얻을 수 있다. 식 ㉠, ㉡으로부터 a\displaystyle ac\displaystyle c의 관계식은 다음과 같다.12a+c=12ca(4c1)=1\displaystyle -\frac1{2a}+c=\frac12-c\Rightarrow a(4c-1)=1 …… ㉢(참고: 이때 식 ㉢에서 a>0\displaystyle a>0이므로 c>14\displaystyle c>\frac14이어야 하고, 식 ㉡에서 ar2>0\displaystyle ar^2>0이므로 c<32\displaystyle c<\frac32일 때 식 ㉡을 만족하는 r\displaystyle r이 존재한다. 또 식 ㉠에서12a+c+1=4c12+c+1=c+32>0\displaystyle -\frac1{2a}+c+1=-\frac{4c-1}2+c+1=-c+\frac32>0이므로 c<32\displaystyle c<\frac32일 때 식 ㉠을 만족하는 r\displaystyle r이 존재한다.)

(2) P=(1,1)\displaystyle \mathrm P=(1,1), Q=(r,ar2+c)\displaystyle \mathrm Q=(r,-ar^2+c)일 때 R=(0,1)\displaystyle \mathrm R=(0,-1), S=(0,32)\displaystyle \mathrm S=\left(0,\frac32\right)이다. 따라서 사각형 PRQS\displaystyle \mathrm{PRQS}의 넓이를 r\displaystyle r로 나타내면 1252(1r)\displaystyle \frac12\cdot\frac52\cdot(1-r)이므로, 점 Q\displaystyle \mathrm Qx\displaystyle x좌표가 가장 작을 때 사각형 PRQS\displaystyle \mathrm{PRQS}의 넓이가 최대임을 알 수 있다. 식 ㉡, ㉢으로부터r2=32c2a=(32c)(4c1)2r=(32c)(4c1)2(14<c<32)\displaystyle r^2=\frac{3-2c}{2a}=\frac{(3-2c)(4c-1)}2\Rightarrow r=-\sqrt{\frac{(3-2c)(4c-1)}2}\quad\left(\frac14<c<\frac32\right)따라서 (32c)(4c1)\displaystyle (3-2c)(4c-1)이 최댓값을 가질 때 r\displaystyle r은 최솟값을 갖는다.(32c)(4c1)=8(c78)2+258\displaystyle (3-2c)(4c-1)=-8\left(c-\frac78\right)^2+\frac{25}8c=78\displaystyle c=\frac78일 때 최댓값을 갖고 식 ㉢으로부터 a=25\displaystyle a=\frac25이다. 그러므로 사각형 PRQS\displaystyle \mathrm{PRQS}의 넓이가 최대가 되도록 하는 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 계수는a=25,c=78\displaystyle a=\frac25,\quad c=\frac78이다.

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