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10 원과 도형의 이동

문서에서 2020 코드엠 수학상 답지 정답 (페이지 103-107)

1

{x+4}@+{y+1}@=4@

⑵ x@+y@=3@

2

중심이 점 {-1, 2}이고 반지름의 길이가 3인 원이므로 {x+1}@+{y-2}@=3@

전개하면 x@+2x+1+y@-4y+4=9 / x@+y@+2x-4y-4=0 / A=2, B=-4, C=-4

3

⑴ x@+y@+4x=0을 완전제곱 꼴로 고치면 {x@+4x+4}+y@=4 / {x+2}@+y@=4 / 중심의 좌표 : {-2, 0}, 반지름의 길이 : 2

⑵ x@+y@-4x+8y-5=0을 완전제곱 꼴로 고치면 {x@-4x+4}+{y@+8y+16}=5+4+16 / {x-2}@+{y+4}@=25

/ 중심의 좌표 : {2, -4}, 반지름의 길이 : 5

⑶ 2x@+2y@-6y+3=0의 양변을 2로 나누면 x@+y@-3y+3

2=0 완전제곱 꼴로 고치면 x@+- y@-3y+[3

2 ]@==- 32+[3 2 ]@ / x@+[y-3

2 ]@= 34

/ 중심의 좌표 : [0, 32 ], 반지름의 길이 : j3 2

4

x@+y@-4x+2y+k=0을 완전제곱 꼴로 고치면 {x@-4x+4}+{y@+2y+1}=-k+4+1 / {x-2}@+{y+1}@=-k+5

⑴ 원의 방정식이므로 -k+5>0 / k<5

⑵ 도형의 길이가 6p이므로 반지름의 길이가 3이다.

곧, -k+5=3@이므로 k=-4

5

⑴ 원이 x축에 접하므로 반지름의 길이가 2이다.

/ {x+3}@+{y-2}@=2@

⑵ 원이 y축에 접하므로 반지름의 길이가 3이다.

/ {x+3}@+{y-2}@=3@

222 예제

1

⑴ 반지름의 길이를 r라 하면 {x+2}@+{y-3}@=r@

이 원이 점 {-1, 1}을 지나므로

{-1+2}@+{1-3}@=r@ / r@=5 / {x+2}@+{y-3}@=5

⑵ 선분 AB의 중점을 M이라 하면 M[1+5

2 , 0+6

2 ]=M{3, 3}

따라서 반지름의 길이는

AMZ=1{3-1}@+{3-0}@3=j13k / {x-3}@+{y-3}@=13

⑶ 원의 방정식을 x@+y@+Ax+By+C=0으로 놓자.

점 P{1, 3}을 지나므로 1+9+A+3B+C=0 yy ① 점 Q{4, 2}를 지나므로 16+4+4A+2B+C=0 yy ② 점 R{5, 1}을 지나므로 25+1+5A+B+C=0 yy ③ ②-①을 하면 10+3A-B=0

③-②를 하면 6+A-B=0 두 식을 연립하여 풀면 A=-2, B=4 ①에 대입하면 C=-20

/ x@+y@-2x+4y-20=0 유제

1-1

⑴ 반지름의 길이를 r라 하면 {x-1}@+{y+3}@=r@

이 원이 원점을 지나므로

{-1}@+3@=r@ / r@=10 / {x-1}@+{y+3}@=10

⑵ 원의 방정식을 x@+y@+Ax+By+C=0으로 놓자.

점 {0, 3}을 지나므로 9+3B+C=0 yy ① 점 {-3, 6}을 지나므로 9+36-3A+6B+C=0 yy ② 점 {-2, 1}을 지나므로 4+1-2A+B+C=0 yy ③ ②-①을 하면 36-3A+3B=0 / 12-A+B=0 ②-③을 하면 40-A+5B=0

두 식을 연립하여 풀면 A=5, B=-7 ①에 대입하면 C=12

/ x@+y@+5x-7y+12=0

⑶ 중심을 점 {a, 0}으로 놓을 수 있다.

반지름의 길이를 r라 하면 {x-a}@+y@=r@

점 {1, 4}를 지나므로 {1-a}@+4@=r@

/ a@-2a+17=r@ yy ① 점 {2, -3}을 지나므로 {2-a}@+{-3}@=r@

/ a@-4a+13=r@ yy ② 221

개념 확인

01 원의 방정식

10 원과 도형의 이동

①-②를 하면 2a+4=0에서 a=-2 ①에 대입하면 r@=25

/ {x+2}@+y@=25

유제

1-2

원 위의 점 A, B가 P{x, y}

B{x2, y2}

A{x1, y1} O

아닌 한 점을 P{x, y}라 하자.

PAZ\PBZ이므로 y-y1

x-x1\y-y2 x-x2=-1

{y-y1}{y-y2}=-{x-x1}{x-x2}

/ {x-x1}{x-x2}+{y-y1}{y-y2}=0 이 식은 점 P가 점 A이거나 점 B일 때에도 성립한다.

따라서 선분 AB가 지름인 원의 방정식은 {x-x1}{x-x2}+{y-y1}{y-y2}=0

223 예제

2

⑴ x축, y축에 접하고 점 {-2, 4}를 지나는 원의 중심은 제2사 분면 위에 있다.

따라서 반지름의 길이를 r라 하면 {x+r}@+{y-r}@=r@

이 원이 점 {-2, 4}를 지나므로

{-2+r}@+{4-r}@=r@, r@-12r+20=0 {r-2}{r-10}=0 / r=2 또는 r=10

/ {x+2}@+{y-2}@=2@, {x+10}@+{y-10}@=10@

⑵ x축에 접하고 점 {4, 3}을 지나므로 원의 중심을 점 {a, b}라 하면 b>0이고 반지름의 길이가 b이다.

/ {x-a}@+{y-b}@=b@ yy ① 원의 중심이 직선 y=x+2 위에 있으므로 b=a+2 yy ② ①이 점 {4, 3}을 지나므로

{4-a}@+{3-b}@=b@

이 식에 ②를 대입하면

{4-a}@+{1-a}@={a+2}@, a@-14a+13=0 {a-1}{a-13}=0 / a=1 또는 a=13 ②에 대입하면 a=1, b=3 또는 a=13, b=15

/ {x-1}@+{y-3}@=3@, {x-13}@+{y-15}@=15@

note 중심을 점 {a, a+2}로 놓고 풀어도 된다.

유제

2-1

x@+y@-4x+2ky+10=0을 완전제곱 꼴로 고치면 {x@-4x+4}+{y@+2ky+k@}=-10+4+k@

/ {x-2}@+{y+k}@=k@-6

y축에 접하면 원의 중심의 x좌표의 절댓값이 반지름의 길이이므로 |2|=1k@-63, 4=k@-6 / k=-j10k

유제

2-2

x축, y축에 접하고 y<0이므로

O y

x 1

y=-2x+1

오른쪽 그림과 같이 구하는 원의 중심은 제4 사분면 위에 있다.

따라서 반지름의 길이를 r라 하면 {x-r}@+{y+r}@=r@

원의 중심인 점 {r, -r}가 반직선 y=-2x+1 위에 있으므로 -r=-2r+1 / r=1

/ {x-1}@+{y+1}@=1

유제

2-3

점 {0, 3}에서 y축에 접하므로

O y

x 3 1 -1 {a, 3}

원의 중심을 점 {a, 3}이라 하면 반지름의 길이는 |a|이다.

/ {x-a}@+{y-3}@=|a|@

이 원이 점 {-1, 1}을 지나므로

{-1-a}@+{1-3}@=a@, 2a+5=0 / a=-5 2 따라서 원의 중심의 좌표는 [- 52, 3]

note 조건을 만족하는 원의 중심은 제2사분면 위에 있으므로 a<0이다. 따라서 반지름의 길이를 -a라 해도 된다.

224 예제

3

x@+y@=r@ yy ① x@+y@-6x-8y+21=0 yy ②

원 ①의 중심은 O{0, 0}, 반지름의 길이는 r이다.

원 ②를 완전제곱 꼴로 고치면

{x@-6x+9}+{y@-8y+16}=-21+9+16 / {x-3}@+{y-4}@=2@

따라서 중심은 C{3, 4}, 반지름의 길이는 2이다.

또 두 원의 중심 간의 거리는 OCZ=13@+4@3=5

⑴ 두 원이 두 점에서 만나려면 |r-2|<5<r+2

! 5<r+2에서 r>3

@ |r-2|<5에서

-5<r-2<5 / -3<r<7 이때 r>0이므로 0<r<7

!, @에서 3<r<7

! 두 원이 외접할 때 : r+2=5에서 r=3

@ 두 원이 내접할 때 : |r-2|=5에서 r-2=-5 / r=-3 또는 r=7

그런데 r>0이므로 r=7

!, @에서 r=3 또는 r=7

유제

3-1

x@+y@=1 yy ① {x-a}@+{y-2a}@=16 yy ②

10. 원과 도형의 이동

105

원 ①의 중심은 O{0, 0}, 반지름의 길이는 1이다.

원 ②의 중심은 C{a, 2a}, 반지름의 길이는 4이다.

또 a>0이므로 두 원의 중심 간의 거리는 OCZ=1a@+{2a}@3=j5a

두 원이 두 점에서 만나려면 |4-1|<j5a<4+1, 3

j5<a< 5 j5 / 3j5

5 <a<j5

유제

3-2

x@+y@=r@ yy ① {x-4}@+{y-3}@=16 yy ② 원 ①의 중심은 점 O{0, 0}, 반지름의 길이는 r이다.

원 ②의 중심은 점 C{4, 3}, 반지름의 길이는 4이다.

또 두 원의 중심 간의 거리는 OCZ=14@+3@2=5

! 한 원이 다른 원의 외부에 있을 때 r+4<5에서 r<1

그런데 r>0이므로 0<r<1

@ 한 원이 다른 원의 내부에 있을 때 |r-4|>5에서 r-4<-5 또는 r-4>5 / r<-1 또는 r>9

그런데 r>0이므로 r>9

!, @에서 0<r<1 또는 r>9

225 예제

4

⑴ P{x, y}라 하면 PAZ : PBZ=1 : 2에서 2PAZ=PBZ, 곧 4PAZ @=PBZ @이므로

49{1-x}@+{1-y}@0={4-x}@+{1-y}@

4{1-2x+x@+1-2y+y@}=16-8x+x@+1-2y+y@

x@+y@-2y=3, x@+{y@-2y+1}=3+1 / x@+{y-1}@=4

따라서 중심이 점 {0, 1}이고 반지름의 길이가 2인 원이므로 구하는 도형의 길이는 2p\2=4p

⑵ 원 C는 중심이 C{0, 4}이고 반지름의 길이가 2인 원이다.

구하는 원의 중심을 P{x, y}라 하면

x축에 접하므로 y>0이고 반지름의 길이가 y이다.

또 원 C에 외접하므로 PCZ=2+y 곧, 1x@+{y-4}@3=2+y이므로 양변을 제곱하면 x@+{y-4}@={2+y}@

/ x@-12y+12=0

유제

4-1

P{x, y}라 하면 PAZ : PBZ=2 : 3에서 3PAZ=2PBZ, 곧 9PAZ @=4PBZ @이므로

99{-2-x}@+y@0=49{3-x}@+y@0 9{4+4x+x@+y@}=4{9-6x+x@+y@}

x@+y@+12x=0, {x@+12x+36}+y@=36 / {x+6}@+y@=36

따라서 중심이 점 {-6, 0}이고 반지름의 길이가 6인 원이므로 구하는 도형의 길이는 2p\6=12p

유제

4-2

원 C는 중심이 C{4, 0}이고 반지름의 길이가 2인 원 이다.

구하는 원의 중심을 P{a, b}라 하면

O y

x P{a, b}

C{4, 0}

a 2

y축에 접하므로 a>0이고 반지름의 길이가 a이다.

또 원 C에 외접하므로 PCZ=2+a 곧, 1{a-4}@+b@3=2+a이므로 양변을 제곱하면 {a-4}@+b@={2+a}@

/ 12a-b@-12=0

유제

4-3

⑴ P{x, y}라 하면 PAZ @+PBZ @=28에서 9{1-x}@+{1-y}@0+9{5-x}@+{3-y}@0=28 x@+y@-6x-4y+4=0

{x@-6x+9}+{y@-4y+4}=-4+9+4 / {x-3}@+{y-2}@=9

따라서 중심이 C{3, 2}이고 반지름의 길이가 3인 원이므로 구하는 도형의 넓이는 p\3@=9p

⑵ 오른쪽 그림에서

P2 C P1

O

r

OPZ의 최댓값은 OP1Z=OCZ+r r

OPZ의 최솟값은 OP2Z=OCZ-r OCZ=13@+2@3=j13k, r=3이므로 최댓값 : j13k+3, 최솟값 : j13k-3

01

원의 방정식은 x@+y@+Ax+By+C=0 꼴이므로 x@+y@+3axy-4x+2y+b=0에서 a=0

x@+y@-4x+2y+b=0을 완전제곱 꼴로 고치면 {x@-4x+4}+{y@+2y+1}=-b+4+1

01

02

03

{3, -2}

04

{x-1}@+{y-1}@=5

05

{x-4}@+{y-2}@=16

06

{x-3}@+{y+3}@=9

07

{x-4}@+{y+5}@=25, [x+ 83 ]@+[y+ 259 ]@= 62581

08

-1<a<2

09

x@+y@+2y-4=0

10

11

12

최솟값 : 146, 최댓값 : 306 226~227 연습 문제

06

중심이 제4사분면 위에 있고 반지름의 길이가 3인 원이 x축, y축에 접하므로 원의 중심은 점 {3, -3}이다.

따라서 원의 방정식은 {x-3}@+{y+3}@=9

07

중심이 점 {a, b}이고 x축에 접하면 반지름의 길이가

|b|이다.

중심을 점 {a, b}라 하면 x축에 접하므로 반지름의 길이가 |b|

이다.

/ {x-a}@+{y-b}@=b@

원이 점 {0, -2}를 지나므로 a@+{-2-b}@=b@

/ a@+4+4b=0 yy ①

원이 점 {-1, -5}를 지나므로 {-1-a}@+{-5-b}@=b@

/ a@+2a+26+10b=0 yy ②

①\5-②\2를 하면 3a@-4a-32=0

{a-4}{3a+8}=0 / a=4 또는 a=- 8 3

①에 대입하면 a=4, b=-5 또는 a=-8

3, b=-25 9 / {x-4}@+{y+5}@=25, [x+ 83 ]@+[y+ 259 ]@= 625

81

08

원의 중심에서 축까지의 거리와 반지름의 길이를 비교한다.

x@+y@-4x-2y=a-3을 완전제곱 꼴로 고치면 {x@-4x+4}+{y@-2y+1}=a-3+4+1 / {x-2}@+{y-1}@=a+2

반지름의 길이를 r라 하면

! 원이 x축과 만나므로

O y

x {2, 1}

r

r>1, 곧 ja+2k>1 r

양변을 제곱하면

a+2>1 / a>-1

@ 원이 y축과 만나지 않으므로 0<r<2, 곧 0<ja+2k<2 양변을 제곱하면

0<a+2<4 / -2<a<2

!, @에서 -1<a<2

09

세 직선의 교점을 구하여 x@+y@+Ax+By+C=0에 대입한다.

직선 3x+y-4=0, y=x의 교점은 {1, 1}

직선 y=x, y=-2의 교점은 {-2, -2}

직선 3x+y-4=0, y=-2의 교점은 {2, -2}

구하는 원의 방정식을 x@+y@+Ax+By+C=0이라 하면 점 {1, 1}을 지나므로 2+A+B+C=0 yy ① 점 {-2, -2}를 지나므로 8-2A-2B+C=0 yy ② 점 {2, -2}를 지나므로 8+2A-2B+C=0 yy ③

②-③을 하면 A=0 / {x-2}@+{y+1}@=5-b

이때 반지름의 길이가 2이므로 5-b=2@에서 b=1 / a+b=1

02

두 원의 방정식을 완전제곱 꼴로 고 {-2, 3}

{1, -4}

치면

{x+2}@+{y-3}@=16 {x-1}@+{y+4}@=4

두 원의 넓이를 동시에 이등분하는 직선은 두 원의 중심인 점 {-2, 3}과 점 {1, -4}를 지나는 직선이므로 y-3= -4-3

1-{-2}9x-{-2}0 / 7x+3y+5=0

03

x@+y@+2{a-2}x-4ay+7a@-3=0을 완전제곱 꼴로 고 치면

9x@+2{a-2}x+{a-2}@0+9y@-4ay+{2a}@0 =-7a@+3+{a-2}@+{2a}@

/ {x+a-2}@+{y-2a}@=-2a@-4a+7

따라서 반지름의 길이를 r라 하면 r@=-2a@-4a+7이 최대일 때, 원의 넓이가 최대이다.

r@=-2{a+1}@+9

이므로 a=-1이면 r@이 최대이고, 이때 중심의 좌표는 {-a+2, 2a}={3, -2}

04

원의 중심이 직선 y=x 위에 있으므로 중심의 좌표를 {a, a}

로 놓을 수 있다. 반지름의 길이를 r라 하면 {x-a}@+{y-a}@=r@

원이 점 {0, -1}을 지나므로 a@+{-1-a}@=r@

/ 2a@+2a+1=r@ yy ①

원이 점 {3, 2}를 지나므로 {3-a}@+{2-a}@=r@

/ 2a@-10a+13=r@ yy ②

①-②를 하면 12a-12=0 / a=1

①에 대입하면 r@=5

/ {x-1}@+{y-1}@=5

05

선분 AB를 1 : 2로 내분하는 점을 P라 하면 P[ 1\2+2\{-1}1+2 , 1\2+2\2

1+2 ]=P{0, 2}

선분 AB를 3 : 2로 외분하는 점을 Q라 하면 Q[ 3\2-2\{-1}3-2 , 3\2-2\2

3-2 ]=Q{8, 2}

원의 중심은 선분 PQ의 중점이므로 중심의 좌표는 [0+8

2 , 2+2

2 ]={4, 2}

반지름의 길이는 1 2 PQZ=1

2 1{0-8}@+{2-2}@3=4 따라서 원의 방정식은 {x-4}@+{y-2}@=16

10. 원과 도형의 이동

107

①, ②에 대입하여 정리하면 B+C=-2, 2B-C=8 두 식을 연립하여 풀면 B=2, C=-4

/ x@+y@+2y-4=0

10

원의 중심에서 현에 내린 수선의 발은 현을 이등분함을 이용한다.

원의 중심이 직선 y=-x+5 위에 있고, 제1사분면 위의 점이므 로 C{a, -a+5} {0<a<5}로 놓을 수 있다.

또 x축에 접하므로 반지름의 길이는 -a+5이다.

오른쪽 그림과 같이 y축과 만나 생기는

O y

x y=-x+5 B

A C

a

-a+5 H

5

현을 AB라 하고, 점 C에서 ABZ에 내린 5

수선의 발을 H라 하면

CHZ=a, BCZ=-a+5, BHZ=1 이므로

a@+1@={-a+5}@

/ a=12 5

따라서 반지름의 길이는 -12 5+5=13

5

11

외접 {중심 간의 거리}={반지름의 길이의 합}

x@+y@+8x-6y+16=0을 완전제곱 꼴로 고치면 {x@+8x+16}+{y@-6y+9}=-16+16+9 / {x+4}@+{y-3}@=9

따라서 이 원은 중심이 점 {-4, 3}이고 반지름의 길이가 3인 원 이다.

구하는 원의 반지름의 길이를 r라 하면 제2사분면 위에서 x축, y 축에 접하므로 중심은 {-r, r}이다.

두 원이 외접하면 중심 간의 거리가 반지름의 길이의 합이므로 1{-r+4}@+{r-3}@3=r+3

양변을 제곱하면

{-r+4}@+{r-3}@={r+3}@ / r@-20r+16=0 이 방정식의 두 근을 r1, r2라 하면

r1+r2=20, r1r2=16 이므로 두 원의 넓이의 합은

p{r1@+r2@} =p9{r1+r2}@-2r1r20

=p{20@-2\16}=368p

note 다음 그림과 같이 조건을 만족하는 원은 2개이고, 피타고 라스 정리에 의해

|r-4|@+|r-3|@={r+3}@

임을 이용할 수도 있다.

O y

x

|r-3|

|r-4|

r+3

O y

x

|r-3|

|r-4|

r+3

12

중선정리를 이용한다.

ABZ의 중점을 M이라 하면 M[ 6+62 , 11+5

2 ]=M{6, 8} / OMZ=16@+8@3=10 오른쪽 그림에서 중선정리에 의해

O y

x P

B M A

2 -2

-2 2 5 11

6

PAZ @+PBZ @=2{AMZ @+PMZ @}

이때 AMZ=3이므로

PAZ @+PBZ @=2PMZ @+18 yy ① 원의 반지름의 길이가 2이므로

OMZ-2<PMZ<OMZ+2에서

8<PMZ<12, 64<PMZ @<144, 146<2PMZ @+18<306 / 146<PAZ @+PBZ @<306 (? ①)

따라서 PAZ @+PBZ @의 최솟값은 146, 최댓값은 306이다.

1

원의 중심은 C{1, 2}, 반지름의 길이는 3이다.

⑴ 점 C와 직선 사이의 거리 d는 d=|1\1+2\2+5|

11@+2@3 =2j5 곧, d>r이므로 만나지 않는다.

⑵ 점 C와 직선 사이의 거리 d는 d=|1\1+2\2-10|

11@+2@3 =j5 곧, d<r이므로 두 점에서 만난다.

2

x@+y@=25 yy ① x-y+1=0 yy ②

②에서 y=x+1을 ①에 대입하면 x@+{x+1}@=25, x@+x-12=0

{x-3}{x+4}=0 / x=3 또는 x=-4

②에 대입하면 x=3, y=4 또는 x=-4, y=-3 따라서 구하는 교점의 좌표는 {3, 4}, {-4, -3}

3

y=x+n을 x@+y@=2에 대입하면

x@+{x+n}@=2 / 2x@+2nx+n@-2=0 판별식을 D라 하면

D

4=n@-2{n@-2}=-n@+4

⑴ D

4>0이므로 -n@+4>0 / -2<n<2

230 개념 확인

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