수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 3번

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문제

[문제 3] (총 105점)

다음 물음에 답하여라.

(a) 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여, 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 점 P\displaystyle \mathrm{P}와 이 곡선에 있지 않은 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}가 다음을 만족시킬 때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서의 접선과 직선 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}가 수직임을 보여라. (55점)

곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x ) 의 모든 점 X\displaystyle \mathrm{X}에 대하여 PQ‾≤XQ‾\displaystyle {\overline{\mathrm{PQ}}} \le {\overline{\mathrm{XQ}}}이다.

(b) 곡선 y=x2\displaystyle y = x^{2}에서 움직이는 점 P\displaystyle \mathrm{P}와 곡선 y=−(x−6)2\displaystyle y = - ( x - 6 )^{2}에서 움직이는 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}에 대하여 PQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}의 최솟값을 구하여라. (50점)

해설강의 준비중

(a) 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표를 (p,f(p))\displaystyle ( p , f ( p ) )라 하고, 점 Q(a,b)\displaystyle \mathrm{Q} ( a , b )라 하자. 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 모든 점 X(x,f(x))\displaystyle \mathrm{X} ( x , f ( x ) )에 대하여 PQ‾≤XQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}} \le \overline{\mathrm{XQ}}이다. 함수 g(x)=XQ‾2=(x−a)2+(f(x)−b)2\displaystyle g ( x ) = {\overline{\mathrm{XQ}}}^{2} = ( x - a )^{2} + ( f ( x ) - b )^{2}는 미분가능한 함수이고, 최솟값은 g(p)=PQ‾2\displaystyle g ( p ) = {\overline{\mathrm{PQ}}}^{2}이다.따라서g′(p)=2(p−a)+2(f(p)−b)f′(p)=0\displaystyle g^{\prime} ( p ) = 2 ( p - a ) + 2 ( f ( p ) - b ) f^{\prime} ( p ) = 0이다.

p≠a\displaystyle p \ne a이면 f(p)−bp−a⋅f′(p)=−1\displaystyle \frac{{f ( p ) - b}}{p - a} \cdot f^{\prime} ( p ) = - 1이고, 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서의 접선과 직선 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}가 수직이다.

p=a\displaystyle p = a이면 직선 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}는 y\displaystyle y축과 평행하고, 점 Q(a,b)\displaystyle \mathrm{Q} ( a , b )가 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )에 있지 않으므로 f(p)≠b\displaystyle f ( p ) \ne b이다.따라서 f′(p)=0\displaystyle f^{\prime} ( p ) = 0이므로 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서의 접선은 x\displaystyle x축과 평행하므로, 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서의 접선과 직선 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}가 수직이다.

(b) PQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}가 최소일 때 곡선 y=x2\displaystyle y = x^{2}의 점을 A(a,a2)\displaystyle \mathrm{A} ( a , a^{2} ), 곡선 y=−(x−6)2\displaystyle y = - ( x - 6 )^{2}의 점을 B(b,−(b−6)2)\displaystyle \mathrm{B} ( b , - ( b - 6 )^{2} )이라 하자. 그러면 (a)에 의해 다음을 모두 만족시킨다.

① 곡선 y=x²의 점 A에서의 접선 l₁과 곡선 y=−(x−6)²의 점 B에서의 접선 l₂가 서로 평행하다. ② 두 점 A, B를 지나는 직선은 두 접선 l₁, l₂와 동시에 수직이다.

조건 ①로부터 a=−b+6\displaystyle a = - b + 6이다. a=b\displaystyle a = b이면 a=b=3\displaystyle a = b = 3이고 조건 ②를 만족시키지 않으므로 a≠b\displaystyle a \ne b이다. 그러면 조건 ②로부터a2+(b−6)2a−b⋅2a=−1\displaystyle \frac{{a^{2} + ( b - 6 )^{2}}}{a - b} \cdot 2 a = - 1, a2+(b−6)2a−b⋅{−2(b−6)}=−1\displaystyle \frac{{a^{2} + ( b - 6 )^{2}}}{a - b} \cdot \left\{ - 2 ( b - 6 ) \right\} = - 1이다.2a3+a−3=(a−1)(2a2+2a+3)=0\displaystyle 2 a^{3} + a - 3 = ( a - 1 ) ( 2 a^{2} + 2 a + 3 ) = 0이므로, a=1\displaystyle a = 1이고 b=5\displaystyle b = 5이다. 따라서 AB‾=25\displaystyle \overline{\mathrm{AB}} = 2 \sqrt{5}이므로 최솟값은 25\displaystyle 2 \sqrt{5}이다.

두 포물선 y=x², y=−(x−6)² 사이의 최단 거리와 공통 수선

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