수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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(a)

조건 (1)에 의하여 QP=(t,1)\displaystyle \overrightarrow{QP} = \left( t , - 1 \right)과 수직인 벡터 QRi\displaystyle \overrightarrow{QR_{i}}(1,t)\displaystyle \left( 1 , t \right)와 평행하다. 그러므로 직선 y=tx+1\displaystyle y = t x + 1R1\displaystyle \mathrm{R}_{1}R2\displaystyle \mathrm{R}_{2}를 지난다. 조건 (2)에 의하여, 준선 y=1\displaystyle y = - 1과 초점이 Q(0,1)\displaystyle \mathrm{Q} \left( 0 , 1 \right)인 포물선 y=14x2\displaystyle y = \frac{{1}}{4} x^{2} 위에 R1\displaystyle \mathrm{R}_{1}R2\displaystyle \mathrm{R}_{2}가 존재한다. 즉, R1\displaystyle \mathrm{R}_{1}R2\displaystyle \mathrm{R}_{2}는 직선 y=tx+1\displaystyle y = t x + 1과 포물선 y=14x2\displaystyle y = \frac{{1}}{4} x^{2}의 교점이다. R1\displaystyle \mathrm{R}_{1}R2\displaystyle \mathrm{R}_{2}x\displaystyle x좌표 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta는 방정식 x24tx4=0\displaystyle x^{2} - 4 t x - 4 = 0의 근이다.

그런데 근과 계수의 관계에서 α+β=4t,αβ=4\displaystyle \alpha + \beta = 4 t , \alpha \beta = - 4이므로PR1PR2=(αt,α24)(βt,β24)=(αt)(βt)+α2β216=αβt(α+β)+t2+(αβ)216=44t2+t2+1=3t23\displaystyle \begin{aligned}\overrightarrow{\mathrm{P}\mathrm{R}_1}\cdot\overrightarrow{\mathrm{P}\mathrm{R}_2}&=\left(\alpha-t,\frac{\alpha^2}4\right)\cdot\left(\beta-t,\frac{\beta^2}4\right)\\&=(\alpha-t)(\beta-t)+\frac{\alpha^2\beta^2}{16}\\&=\alpha\beta-t(\alpha+\beta)+t^2+\frac{(\alpha\beta)^2}{16}\\&=-4-4t^2+t^2+1\\&=-3t^2-3\end{aligned}

(b)

x24tx4=0\displaystyle x^{2} - 4 t x - 4 = 0의 근은 2t±4t2+4\displaystyle 2 t ± \sqrt{4 t^{2} + 4} 이므로 R\displaystyle \mathrm{R}x\displaystyle x좌표를 α\displaystyle \alpha라고 하면 α=2t2t2+1\displaystyle \alpha = 2 t - 2 \sqrt{t^{2} + 1}이다. 세 점 O(0,0),R(α,α24),S(α,α24)\displaystyle \mathrm{O} \left( 0 , 0 \right) , \mathrm{R} \left( \alpha , \frac{{\alpha^{2}}}{4} \right) , \mathrm{S} \left( - \alpha , \frac{{\alpha^{2}}}{4} \right)를 지나는 원의 중심은 y\displaystyle y축에 있으므로 원의 방정식은 x2+(yr)2=r2\displaystyle x^{2} + \left( y - r \right)^{2} = r^{2}이다. 이 원이 점 R\displaystyle \mathrm{R}을 지나므로

α2+(α24r)2=r2,\displaystyle \alpha^2+\left(\frac{\alpha^2}4-r\right)^2=r^2,

α2+α416rα22=0,\displaystyle \alpha^2+\frac{\alpha^4}{16}-\frac{r\alpha^2}2=0,

r=2+α28=2+(tt2+1)22\displaystyle r=2+\frac{\alpha^2}8=2+\frac{(t-\sqrt{t^2+1})^2}2이다. 그런데,

limt(tt2+1)=limt1t+t2+1=0\displaystyle \lim_{t \to \infty} {\left( t - \sqrt{t^{2} + 1} \right) = \lim_{t \to \infty} {\frac{{- 1}}{t + \sqrt{t^{2} + 1}} = 0}}이므로, limtr(t)=2\displaystyle \lim_{t \to \infty} {r \left( t \right) = 2}이다.

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