(a)
조건 (1)에 의하여 Q P → = ( t , − 1 ) \displaystyle \overrightarrow{QP} = \left( t , - 1 \right) QP = ( t , − 1 ) 과 수직인 벡터 Q R i → \displaystyle \overrightarrow{QR_{i}} Q R i 은 ( 1 , t ) \displaystyle \left( 1 , t \right) ( 1 , t ) 와 평행하다. 그러므로 직선 y = t x + 1 \displaystyle y = t x + 1 y = t x + 1 는 R 1 \displaystyle \mathrm{R}_{1} R 1 과 R 2 \displaystyle \mathrm{R}_{2} R 2 를 지난다. 조건 (2)에 의하여, 준선 y = − 1 \displaystyle y = - 1 y = − 1 과 초점이 Q ( 0 , 1 ) \displaystyle \mathrm{Q} \left( 0 , 1 \right) Q ( 0 , 1 ) 인 포물선 y = 1 4 x 2 \displaystyle y = \frac{{1}}{4} x^{2} y = 4 1 x 2 위에 R 1 \displaystyle \mathrm{R}_{1} R 1 과 R 2 \displaystyle \mathrm{R}_{2} R 2 가 존재한다. 즉, R 1 \displaystyle \mathrm{R}_{1} R 1 과 R 2 \displaystyle \mathrm{R}_{2} R 2 는 직선 y = t x + 1 \displaystyle y = t x + 1 y = t x + 1 과 포물선 y = 1 4 x 2 \displaystyle y = \frac{{1}}{4} x^{2} y = 4 1 x 2 의 교점이다. R 1 \displaystyle \mathrm{R}_{1} R 1 과 R 2 \displaystyle \mathrm{R}_{2} R 2 의 x \displaystyle x x 좌표 α \displaystyle \alpha α , β \displaystyle \beta β 는 방정식 x 2 − 4 t x − 4 = 0 \displaystyle x^{2} - 4 t x - 4 = 0 x 2 − 4 t x − 4 = 0 의 근이다.
그런데 근과 계수의 관계에서 α + β = 4 t , α β = − 4 \displaystyle \alpha + \beta = 4 t , \alpha \beta = - 4 α + β = 4 t , α β = − 4 이므로 P R 1 → ⋅ P R 2 → = ( α − t , α 2 4 ) ⋅ ( β − t , β 2 4 ) = ( α − t ) ( β − t ) + α 2 β 2 16 = α β − t ( α + β ) + t 2 + ( α β ) 2 16 = − 4 − 4 t 2 + t 2 + 1 = − 3 t 2 − 3 \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} P R 1 ⋅ P R 2 = ( α − t , 4 α 2 ) ⋅ ( β − t , 4 β 2 ) = ( α − t ) ( β − t ) + 16 α 2 β 2 = α β − t ( α + β ) + t 2 + 16 ( α β ) 2 = − 4 − 4 t 2 + t 2 + 1 = − 3 t 2 − 3
(b)
x 2 − 4 t x − 4 = 0 \displaystyle x^{2} - 4 t x - 4 = 0 x 2 − 4 t x − 4 = 0 의 근은 2 t ± 4 t 2 + 4 \displaystyle 2 t ± \sqrt{4 t^{2} + 4} 2 t ± 4 t 2 + 4 이므로 R \displaystyle \mathrm{R} R 의 x \displaystyle x x 좌표를 α \displaystyle \alpha α 라고 하면 α = 2 t − 2 t 2 + 1 \displaystyle \alpha = 2 t - 2 \sqrt{t^{2} + 1} α = 2 t − 2 t 2 + 1 이다. 세 점 O ( 0 , 0 ) , R ( α , α 2 4 ) , S ( − α , α 2 4 ) \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) O ( 0 , 0 ) , R ( α , 4 α 2 ) , S ( − α , 4 α 2 ) 를 지나는 원의 중심은 y \displaystyle y y 축에 있으므로 원의 방정식은 x 2 + ( y − r ) 2 = r 2 \displaystyle x^{2} + \left( y - r \right)^{2} = r^{2} x 2 + ( y − r ) 2 = r 2 이다. 이 원이 점 R \displaystyle \mathrm{R} R 을 지나므로
α 2 + ( α 2 4 − r ) 2 = r 2 , \displaystyle \alpha^2+\left(\frac{\alpha^2}4-r\right)^2=r^2, α 2 + ( 4 α 2 − r ) 2 = r 2 ,
α 2 + α 4 16 − r α 2 2 = 0 , \displaystyle \alpha^2+\frac{\alpha^4}{16}-\frac{r\alpha^2}2=0, α 2 + 16 α 4 − 2 r α 2 = 0 ,
r = 2 + α 2 8 = 2 + ( t − t 2 + 1 ) 2 2 \displaystyle r=2+\frac{\alpha^2}8=2+\frac{(t-\sqrt{t^2+1})^2}2 r = 2 + 8 α 2 = 2 + 2 ( t − t 2 + 1 ) 2 이다. 그런데,
lim t → ∞ ( t − t 2 + 1 ) = lim t → ∞ − 1 t + t 2 + 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}} t → ∞ lim ( t − t 2 + 1 ) = t → ∞ lim t + t 2 + 1 − 1 = 0 이므로, lim t → ∞ r ( t ) = 2 \displaystyle \lim_{t \to \infty} {r \left( t \right) = 2} t → ∞ lim r ( t ) = 2 이다.