수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

[문제 4] (총 115점)

쌍곡선 x22−y2=−1\displaystyle \dfrac{x^{2}}{2}-y^{2}=-1의 두 초점 F1\displaystyle \mathrm{F}_{1}, F2\displaystyle \mathrm{F}_{2}와 이 쌍곡선 위의 점 P(x,y)\displaystyle \mathrm{P}(x,y)에 대하여, 두 평면벡터 PF1→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PF}_{1}}과 PF2→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PF}_{2}}가 이루는 각의 크기를 θ(x)\displaystyle \theta(x)라고 하자. (단, 점 P\displaystyle \mathrm{P}는 제1사분면에 있다.)

(a) cos⁡(θ(x))=f(x)g(x)\displaystyle \cos(\theta(x))=\dfrac{f(x)}{g(x)}을 만족시키는 다항식 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)를 구하여라. (40점)

(b) ∣PF1→∣+∣PF2→∣=8\displaystyle \left|\overrightarrow{\mathrm{PF}_{1}}\right|+\left|\overrightarrow{\mathrm{PF}_{2}}\right|=8을 만족시키는 x\displaystyle x에 대하여, θ′(x)\displaystyle \theta^{\prime}(x)의 값을 구하여라. (75점)

+10점 · 벡터 PF1→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PF}_{1}}과 PF2→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PF}_{2}}의 성분을 구하면

(a) 두 초점을 F1(0,3)\displaystyle \mathrm{F}_{1}(0,\sqrt{3}), F2(0,−3)\displaystyle \mathrm{F}_{2}(0,-\sqrt{3})라 하면점 P(x,y)\displaystyle \mathrm{P}(x,y)에 대하여PF1→=(−x,3−y)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PF}_{1}}=(-x,\sqrt{3}-y), PF2→=(−x,−3−y)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PF}_{2}}=(-x,-\sqrt{3}-y)이다.두 초점까지의 거리를 각각 u=PF1‾\displaystyle u=\overline{\mathrm{PF}_{1}}, v=PF2‾\displaystyle v=\overline{\mathrm{PF}_{2}}라 하자.

+30점 · 내적의 성질을 이용해서 cos⁡(θ(x))=3x2−43x2+4\displaystyle \cos(\theta(x))=\frac{3x^{2}-4}{3x^{2}+4}을 유도하면

점 P\displaystyle \mathrm{P}가 제1사분면에 있으므로쌍곡선의 정의에 의하여 v−u=2\displaystyle v-u=2이다.또한 y2=x22+1\displaystyle y^{2}=\frac{x^{2}}{2}+1이므로u2+v2=x2+(y−3)2+x2+(y+3)2=2x2+2y2+6=3x2+8\displaystyle \begin{aligned}u^{2}+v^{2}&=x^{2}+(y-\sqrt{3})^{2}+x^{2}+(y+\sqrt{3})^{2}\\&=2x^{2}+2y^{2}+6=3x^{2}+8\end{aligned}이다.따라서 2uv=u2+v2−(v−u)2=3x2+4\displaystyle 2uv=u^{2}+v^{2}-(v-u)^{2}=3x^{2}+4이다.삼각형 PF1F2\displaystyle \mathrm{PF}_{1}\mathrm{F}_{2}에 코사인법칙을 적용하면cos⁡θ(x)=u2+v2−F1F2‾22uv=3x2−43x2+4\displaystyle \cos\theta(x)=\frac{u^{2}+v^{2}-\overline{\mathrm{F}_{1}\mathrm{F}_{2}}^{2}}{2uv}=\frac{3x^{2}-4}{3x^{2}+4}이므로f(x)=3x2−4\displaystyle f(x)=3x^{2}-4, g(x)=3x2+4\displaystyle g(x)=3x^{2}+4라 두면 된다.

Tip. 두 벡터의 내적으로 코사인값을 구하는 것은 일반적인 방법이다.이 문제에서는 두 벡터의 길이를 미지수로 놓고 코사인법칙을 이용하면 계산을 줄일 수 있다.

+15점 · 쌍곡선의 성질을 이용해서 ∣PF1→∣\displaystyle \left|\overrightarrow{\mathrm{PF}_{1}}\right|와 ∣PF2→∣\displaystyle \left|\overrightarrow{\mathrm{PF}_{2}}\right|를 구하면

(b) 주어진 조건에서 u+v=8\displaystyle u+v=8이고,v−u=2\displaystyle v-u=2이므로 u=3\displaystyle u=3, v=5\displaystyle v=5이다.

+20점 · 조건을 만족하는 x\displaystyle x의 값을 구하면

3x2+4=2uv=30\displaystyle 3x^{2}+4=2uv=30이고,x>0\displaystyle x>0이므로 x=263\displaystyle x=\sqrt{\frac{26}{3}}이다.

+40점 · 합성함수의 미분법을 이용해서 θ′(263)\displaystyle \theta^{\prime}\left(\frac{\sqrt{26}}{\sqrt{3}}\right)를 계산하면

x0=263\displaystyle x_{0}=\sqrt{\frac{26}{3}}이라 하면(a)에서 구한 식에 의하여 cos⁡θ(x0)=1115\displaystyle \cos\theta(x_{0})=\frac{11}{15}이다.0<θ(x0)<π\displaystyle 0<\theta(x_{0})<\pi이므로sin⁡θ(x0)=1−(1115)2=22615\displaystyle \sin\theta(x_{0})=\sqrt{1-\left(\frac{11}{15}\right)^{2}}=\frac{2\sqrt{26}}{15}이다.cos⁡θ(x)=3x2−43x2+4\displaystyle \cos\theta(x)=\frac{3x^{2}-4}{3x^{2}+4}의 양변을 x\displaystyle x에 대하여 미분하면−sin⁡θ(x) θ′(x)=48x(3x2+4)2\displaystyle -\sin\theta(x)\,\theta^{\prime}(x)=\frac{48x}{(3x^{2}+4)^{2}}이다.따라서 구하는 값은θ′(x0)=−48x0(3x02+4)2sin⁡θ(x0)=−48263302⋅15226=−253\displaystyle \begin{aligned}\theta^{\prime}(x_{0})&=-\frac{48x_{0}}{(3x_{0}^{2}+4)^{2}\sin\theta(x_{0})}\\&=-\frac{48\sqrt{\frac{26}{3}}}{30^{2}}\cdot\frac{15}{2\sqrt{26}}=-\frac{2}{5\sqrt{3}}\end{aligned}이다.

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