수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

점 P(α, β)\displaystyle \mathrm{P}(\alpha,\,\beta)를 지나는 두 직선이 포물선 y2=4x\displaystyle y^{2}=4x 위의 서로 다른 두 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}, R\displaystyle \mathrm{R}에서 각각 접한다.

(a) 두 벡터 PQ→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}와 PR→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PR}}의 내적을 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta에 대한 식으로 표현하여라. (70점)

(b) ∠QPR\displaystyle \angle \mathrm{QPR}가 직각이 되는 점 P\displaystyle \mathrm{P}를 모두 구하여라. (25점)

심화 서로 수직인 두 접선의 교점의 자취

관련 개념강의 준비중
+10점 · 접선의 방정식을 올바르게 세웠는가

(a) 포물선 y2=4x\displaystyle y^{2}=4x 위의 점 (t2, 2t)\displaystyle (t^{2},\,2t)에서의 접선의 방정식은(2t)y=2(x+t2)\displaystyle (2t)y=2\left(x+t^{2}\right), 즉 ty=x+t2\displaystyle ty=x+t^{2}이다.

Tip. 포물선 y2=4x\displaystyle y^{2}=4x 위의 점은 (t2, 2t)\displaystyle (t^{2},\,2t)로 놓으면 근호 없이 다룰 수 있다.

+10점 · 접선이 P(α, β)\displaystyle \mathrm{P}(\alpha,\,\beta)를 지날 조건을 이차방정식으로 정리했는가

이 접선이 P(α, β)\displaystyle \mathrm{P}(\alpha,\,\beta)를 지나므로 tβ=α+t2\displaystyle t\beta=\alpha+t^{2}, 즉t2−βt+α=0 ⋯ (∗)\displaystyle t^{2}-\beta t+\alpha=0\ \cdots\ (\ast)

+10점 · 두 접점이 그 방정식의 서로 다른 두 실근에 대응함을 언급했는가

두 접점 Q(t12, 2t1)\displaystyle \mathrm{Q}(t_{1}^{2},\,2t_{1}), R(t22, 2t2)\displaystyle \mathrm{R}(t_{2}^{2},\,2t_{2})의 t1\displaystyle t_{1}, t2\displaystyle t_{2}는 (∗)\displaystyle (\ast)의 서로 다른 두 실근이다.

+5점 · 판별식 조건 β2−4α>0\displaystyle \beta^{2}-4\alpha>0을 언급했는가

따라서 판별식에서 β2−4α>0\displaystyle \beta^{2}-4\alpha>0이다.

+5점 · 근과 계수와의 관계를 활용했는가

근과 계수와의 관계에서 t1+t2=β\displaystyle t_{1}+t_{2}=\beta, t1t2=α\displaystyle t_{1}t_{2}=\alpha이다.

Caution. 서로 다른 실근의 존재 조건을 확인해야 한다: 이 문제에서는 서로 다른 두 접점이 존재해야 하므로, 판별식 β2−4α>0\displaystyle \beta^2-4\alpha>0이어야 한다.

+10점 · PQ→⋅PR→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}를 성분으로 전개했는가

PQ→=(t12−α, 2t1−β)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}=\left(t_{1}^{2}-\alpha,\,2t_{1}-\beta\right), PR→=(t22−α, 2t2−β)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PR}}=\left(t_{2}^{2}-\alpha,\,2t_{2}-\beta\right)이므로PQ→⋅PR→=(t12−α)(t22−α)+(2t1−β)(2t2−β)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}=\left(t_{1}^{2}-\alpha\right)\left(t_{2}^{2}-\alpha\right)+\left(2t_{1}-\beta\right)\left(2t_{2}-\beta\right)

+10점 · 대칭식 계산을 올바르게 수행했는가

이때 t12+t22=(t1+t2)2−2t1t2=β2−2α\displaystyle t_{1}^{2}+t_{2}^{2}=\left(t_{1}+t_{2}\right)^{2}-2t_{1}t_{2}=\beta^{2}-2\alpha이므로(t12−α)(t22−α)=(t1t2)2−α(t12+t22)+α2=α2−α(β2−2α)+α2=α(4α−β2)\displaystyle \left(t_{1}^{2}-\alpha\right)\left(t_{2}^{2}-\alpha\right)=\left(t_{1}t_{2}\right)^{2}-\alpha\left(t_{1}^{2}+t_{2}^{2}\right)+\alpha^{2}=\alpha^{2}-\alpha\left(\beta^{2}-2\alpha\right)+\alpha^{2}=\alpha\left(4\alpha-\beta^{2}\right)(2t1−β)(2t2−β)=4t1t2−2β(t1+t2)+β2=4α−β2\displaystyle \left(2t_{1}-\beta\right)\left(2t_{2}-\beta\right)=4t_{1}t_{2}-2\beta\left(t_{1}+t_{2}\right)+\beta^{2}=4\alpha-\beta^{2}

+10점 · PQ→⋅PR→=(α+1)(4α−β2)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}=\left(\alpha+1\right)\left(4\alpha-\beta^{2}\right)를 얻었는가

∴ PQ→⋅PR→=α(4α−β2)+(4α−β2)=(α+1)(4α−β2)\displaystyle \therefore\ \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}=\alpha\left(4\alpha-\beta^{2}\right)+\left(4\alpha-\beta^{2}\right)=\left(\alpha+1\right)\left(4\alpha-\beta^{2}\right)

+5점 · 직각 조건을 PQ→⋅PR→=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}=0으로 옮겼는가

(b) ∠QPR\displaystyle \angle \mathrm{QPR}가 직각인 것은 PQ→⋅PR→=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}=0일 때이다.

+8점 · 4α−β2<0\displaystyle 4\alpha-\beta^{2}<0을 근거로 α=−1\displaystyle \alpha=-1만 남음을 보였는가

(a)에서 PQ→⋅PR→=(α+1)(4α−β2)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}=\left(\alpha+1\right)\left(4\alpha-\beta^{2}\right)이고 β2−4α>0\displaystyle \beta^{2}-4\alpha>0, 즉 4α−β2<0\displaystyle 4\alpha-\beta^{2}<0이므로,PQ→⋅PR→=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PR}}=0인 것은 α=−1\displaystyle \alpha=-1일 때뿐이다.

+7점 · α=−1\displaystyle \alpha=-1에서 모든 β\displaystyle \beta가 가능함(β2+4>0\displaystyle \beta^{2}+4>0)을 확인했는가

이때 β2−4α=β2+4>0\displaystyle \beta^{2}-4\alpha=\beta^{2}+4>0은 모든 실수 β\displaystyle \beta에서 성립한다.

+5점 · 준선 x=−1\displaystyle x=-1 위의 모든 점으로 답했는가

∴ P=(−1, β)\displaystyle \therefore\ \mathrm{P}=(-1,\,\beta) (β\displaystyle \beta는 임의의 실수), 즉 포물선의 준선 x=−1\displaystyle x=-1 위의 모든 점이다.

Note. 포물선의 서로 수직인 두 접선의 교점의 자취는 준선이다.

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