수리논술, 이게 다다.

자연계열 I (오전) 3번

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문제

[제시문]

좌표평면에서 벡터 a⃗\displaystyle \vec a에 대한 다음의 두 명제 p1\displaystyle p_1, p2\displaystyle p_2가 있다.

p1\displaystyle p_1 : a⃗+b⃗=v⃗\displaystyle \vec a+\vec b=\vec v 와 ∣v⃗∣≤∣a⃗∣+∣b⃗∣≤2∣v⃗∣\displaystyle |\vec v|\leq|\vec a|+|\vec b|\leq2|\vec v| 를 만족시키는 벡터 b⃗\displaystyle \vec b가 존재한다.

p2\displaystyle p_2 : a⃗+b⃗=v⃗\displaystyle \vec a+\vec b=\vec v 와 ∣a⃗∣=m\displaystyle |\vec a|=m, ∣b⃗∣=n\displaystyle |\vec b|=n 을 만족시키는 벡터 b⃗\displaystyle \vec b가 존재한다. (단, m\displaystyle m과 n\displaystyle n은 0<m<n\displaystyle 0<m<n인 상수이다.)

[문제 3-1] 벡터 v⃗=(c,0)\displaystyle \vec v=(c,0)일 때, 명제 p1\displaystyle p_1을 만족시키는 위치벡터 a⃗\displaystyle \vec a의 종점이 이루는 도형을 c\displaystyle c를 이용하여 나타내시오. (단, c\displaystyle c는 양의 실수이다.) [10점]

[문제 3-2] 명제 p2\displaystyle p_2를 만족시키는 벡터 a⃗\displaystyle \vec a의 집합을 S\displaystyle S라고 할 때, 집합 S\displaystyle S의 원소의 개수가 2\displaystyle 2가 되는 벡터 v⃗\displaystyle \vec v의 조건을 m\displaystyle m과 n\displaystyle n을 사용하여 나타내시오. [10점]

해설강의 준비중

[3-1 번]부등식의 경계인 ∣a⃗∣+∣v⃗−a⃗∣=2∣v⃗∣\displaystyle |\vec a|+|\vec v-\vec a|=2|\vec v|를 직접 a⃗\displaystyle \vec a에 대해 계산하여 얻을 수도 있다.즉, a⃗=(x,y)\displaystyle \vec a=(x,y)라 두면x2+y2+(c−x)2+y2=2c\displaystyle \sqrt{x^2+y^2}+\sqrt{(c-x)^2+y^2}=2c를 얻고,(c−x)2+y2=(2c−x2+y2)2=4c2−4cx2+y2+x2+y2\displaystyle \begin{aligned}(c-x)^2+y^2&=(2c-\sqrt{x^2+y^2})^2\\&=4c^2-4c\sqrt{x^2+y^2}+x^2+y^2\end{aligned}과 같이 근호를 차례로 제거하여 정리하면,(x−c2)2c2+y2(3c2)2=1.\displaystyle \frac{\left(x-\frac c2\right)^2}{c^2}+\frac{y^2}{\left(\frac{\sqrt3 c}2\right)^2}=1.

벡터의 길이 조건을 만족하는 타원

이 방정식은 장축의 길이가 2c\displaystyle 2c, 단축의 길이가 3c\displaystyle \sqrt3 c인 타원이므로, 구하려는 도형은 이 경계선을 포함한 타원의 내부이다.

[3-2번]벡터 a⃗\displaystyle \vec a가 집합 S\displaystyle S의 원소이므로 a⃗\displaystyle \vec a가 ∣a⃗∣=m\displaystyle |\vec a|=m과 ∣a⃗−v⃗∣=n\displaystyle |\vec a-\vec v|=n을 만족하는 서로 다른 2\displaystyle 2개의 a⃗\displaystyle \vec a가 존재한다. v⃗\displaystyle \vec v의 시점과 종점을 연결한 선분을 OV\displaystyle \mathrm{OV}라 하고 a⃗\displaystyle \vec a의 시점과 종점을 연결한 선분을 OA\displaystyle \mathrm{OA}라 했을 때, a⃗−v⃗\displaystyle \vec a-\vec v를 나타내는 선분은 VA\displaystyle \mathrm{VA}이다.

두 원의 교점 A와 벡터 a, v

경우1. 선분 OV\displaystyle \mathrm{OV}와 선분 OA\displaystyle \mathrm{OA}가 한 직선상에 놓이지 않은 경우를 생각하자. 삼각형 OVA\displaystyle \mathrm{OVA}의 두변의 길이의 합이 나머지 한변의 길이보다 크기 때문에 ∣v⃗−a⃗∣−∣a⃗∣<∣v⃗∣<∣v⃗−a⃗∣+∣a⃗∣\displaystyle |\vec v-\vec a|-|\vec a|<|\vec v|<|\vec v-\vec a|+|\vec a|이 항상 성립한다.따라서 n−m=∣v⃗−a⃗∣−∣a⃗∣<∣v⃗∣<∣v⃗−a⃗∣+∣a⃗∣=n+m\displaystyle n-m=|\vec v-\vec a|-|\vec a|<|\vec v|<|\vec v-\vec a|+|\vec a|=n+m.경우2. 선분 OV\displaystyle \mathrm{OV}와 선분 OA\displaystyle \mathrm{OA}가 평행하여 한 직선상에 놓인 경우를 생각하자.1) a⃗\displaystyle \vec a와 v⃗−a⃗\displaystyle \vec v-\vec a가 같은 방향인 경우명제 p2\displaystyle p_2를 만족하는 a⃗\displaystyle \vec a는 벡터 v⃗\displaystyle \vec v의 방향과 일치하고 ∣a⃗∣=m\displaystyle |\vec a|=m인 하나의 벡터밖에 없다.2) a⃗\displaystyle \vec a와 v⃗−a⃗\displaystyle \vec v-\vec a가 반대 방향인 경우명제 p2\displaystyle p_2를 만족하는 a⃗\displaystyle \vec a는 벡터 v⃗\displaystyle \vec v의 방향과 반대이고 ∣a⃗∣=m\displaystyle |\vec a|=m인 하나의 벡터밖에 없다.따라서 a⃗\displaystyle \vec a가 ∣a⃗∣=m\displaystyle |\vec a|=m과 ∣a⃗−v⃗∣=n\displaystyle |\vec a-\vec v|=n을 만족하는 서로 다른 2\displaystyle 2개의 a⃗\displaystyle \vec a가 있을 필요충분조건은 경우 1의 n−m<∣v⃗∣<n+m\displaystyle n-m<|\vec v|<n+m이다.

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