수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+25점 · 주어진 이차함수의 그래프와 직선과의 교점을 구하고 서로 다른 두 교점 사이의 거리의 최솟값을 계산할 수 있다

곡선 C1\displaystyle C_1 위의 점 A\displaystyle \mathrm{A}x\displaystyle x좌표를 a\displaystyle a라고 하면, 점 A\displaystyle \mathrm{A}의 좌표는 A(a,a2+a+1)\displaystyle \mathrm{A}(a,a^2+a+1)이고, y\displaystyle y축에 평행한 직선 \displaystyle \ell의 방정식은 :x=a\displaystyle \ell:x=a이다. 그리고 직선 \displaystyle \ell과 곡선 C2\displaystyle C_2의 교점 B\displaystyle \mathrm{B}의 좌표는 B(a,a2+4a3)\displaystyle \mathrm{B}(a,-a^2+4a-3)이다.한편, 두 곡선을 정의하는 이차함수는 각각 다음과 같이 완전제곱식으로 표현할 수 있다.x2+x+1=(x+12)2+34\displaystyle x^2+x+1=\left(x+\frac12\right)^2+\frac34, x2+4x3=(x2)2+1\displaystyle -x^2+4x-3=-(x-2)^2+1이때, x=a\displaystyle x=a와 함숫값이 같은 x\displaystyle x의 값은 각각 괄호 안의 값이 부호만 다른 경우이다.x1+12=(a+12)\displaystyle x_1+\frac12=-\left(a+\frac12\right), x22=(a2)\displaystyle x_2-2=-(a-2)따라서, 점 P\displaystyle \mathrm{P}x\displaystyle x좌표는 a1\displaystyle -a-1, 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}x\displaystyle x좌표는 a+4\displaystyle -a+4이고, 점 P\displaystyle \mathrm{P}Q\displaystyle \mathrm{Q}y\displaystyle y좌표는 각각 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 점 B\displaystyle \mathrm{B}y\displaystyle y좌표와 같다. 점 P\displaystyle \mathrm{P}Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표는 아래와 같다.P:(a1,a2+a+1)\displaystyle \mathrm{P}:(-a-1,a^2+a+1), Q:(a+4,a2+4a3)\displaystyle \mathrm{Q}:(-a+4,-a^2+4a-3)그러므로 PQ2=52+(2a23a+4)2\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}^2=5^2+(2a^2-3a+4)^2이다. 이 값이 최소가 되기 위해서는 절댓값 2a23a+4\displaystyle |2a^2-3a+4|의 값이 최소가 되어야 한다. 함수 g(a)=2a23a+4\displaystyle g(a)=2a^2-3a+4를 정의하면, 이 함수를 정의하는 이차방정식의 판별식이 (3)2424<0\displaystyle (-3)^2-4\cdot2\cdot4<0이므로 g(a)\displaystyle g(a)의 값은 항상 양수이다. 따라서 g(a)=g(a)\displaystyle |g(a)|=g(a)이고, g(a)\displaystyle g(a)는 중심축인 a=34\displaystyle a=\frac34에서 최솟값을 가지며, 이때 PQ\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}} 또한 최솟값을 갖는다.

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