수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

【문제 1】 다음 제시문을 읽고 아래 논제에 답하시오. (25점)

이차방정식 ax2+bx+c=0\displaystyle ax^2+bx+c=0의 두 근을 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta라고 하면α+β=−ba\displaystyle \alpha+\beta=-\frac ba, αβ=ca\displaystyle \alpha\beta=\frac ca[출처 : 수학 「이차방정식의 근과 계수의 관계」]

직선 ℓ:y=mx+m\displaystyle \ell:y=mx+m (0<m<1\displaystyle 0<m<1)과 원 C:x2+y2=1\displaystyle \mathrm{C}:x^2+y^2=1의 교점 중 x\displaystyle x좌표가 더 큰 점을 P\displaystyle \mathrm{P}, 직선 ℓ\displaystyle \ell과 y\displaystyle y축의 교점을 Q\displaystyle \mathrm{Q}, 좌표가 (0,1)\displaystyle (0,1)인 점을 R\displaystyle \mathrm{R}라고 하자. 점 P\displaystyle \mathrm{P}와 직선 y=1\displaystyle y=1 사이의 거리를 f(m)\displaystyle f(m), 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}의 넓이를 g(m)\displaystyle g(m)이라고 할 때, lim⁡m→1−f(m)g(m)\displaystyle \lim_{m\to1-}\frac{f(m)}{g(m)}의 값을 구하시오.

해설강의 준비중
+15점 · 원과 직선 ℓ\displaystyle \ell의 식을 이용하여 두 교점을 올바르게 계산하고, 추가 조건을 이해하여 P\displaystyle \mathrm{P}, Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표를 계산할 수 있다.

원 C\displaystyle \mathrm{C}와 직선 ℓ\displaystyle \ell의 교점은 연립방정식{x2+y2=1y=mx+m\displaystyle \begin{cases}x^2+y^2=1\\y=mx+m\end{cases}의 해이다. 따라서 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 x\displaystyle x좌표는 다음 이차방정식x2+(mx+m)2=1⇒(m2+1)x2+2m2x+m2−1=0\displaystyle x^2+(mx+m)^2=1\quad\Rightarrow\quad(m^2+1)x^2+2m^2x+m^2-1=0의 두 근 중에서 더 큰 값이다. 이때 원 C\displaystyle \mathrm{C}와 직선 ℓ\displaystyle \ell의 한 교점이 (−1,0)\displaystyle (-1,0)이므로, 방정식의 한 근은 α=−1\displaystyle \alpha=-1이고 근과 계수의 관계에 의해 다른 근 β\displaystyle \beta는 αβ=m2−1m2+1\displaystyle \alpha\beta=\frac{m^2-1}{m^2+1}을 만족시킨다. 따라서 β=1−m21+m2\displaystyle \beta=\frac{1-m^2}{1+m^2}이고 α=−1<β\displaystyle \alpha=-1<\beta이므로 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 x\displaystyle x좌표는 1−m21+m2\displaystyle \frac{1-m^2}{1+m^2}이다. 또한 점 P\displaystyle \mathrm{P}는 직선 ℓ\displaystyle \ell 위의 점이므로 P\displaystyle \mathrm{P}의 y\displaystyle y좌표는 2m1+m2\displaystyle \frac{2m}{1+m^2}이고, 점 P\displaystyle \mathrm{P}와 직선 y=1\displaystyle y=1 사이의 거리 f(m)\displaystyle f(m)은 f(m)=1−2m1+m2=(1−m)21+m2\displaystyle f(m)=1-\frac{2m}{1+m^2}=\frac{(1-m)^2}{1+m^2}이다.

+10점 · P\displaystyle \mathrm{P}, Q\displaystyle \mathrm{Q}, R\displaystyle \mathrm{R}의 좌표를 이용하여 함수 f(m),g(m)\displaystyle f(m),g(m)의 식을 정확하게 묘사하고, 이로부터 좌극한의 값을 계산할 수 있다.

한편 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표는 (0,m)\displaystyle (0,m)이므로, 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}의 밑변을 QR\displaystyle \mathrm{QR}로 두면, 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}의 넓이 g(m)\displaystyle g(m)은 아래와 같다.g(m)=12×(1−m)×(1−m21+m2)=(1−m)2(1+m)2(1+m2)\displaystyle g(m)=\frac12\times(1-m)\times\left(\frac{1-m^2}{1+m^2}\right)=\frac{(1-m)^2(1+m)}{2(1+m^2)}그러므로 lim⁡m→1−f(m)g(m)=lim⁡m→1−21+m=1\displaystyle \lim_{m\to1-}\frac{f(m)}{g(m)}=\lim_{m\to1-}\frac2{1+m}=1이다.

원 C와 직선 ℓ 및 삼각형 PQR

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