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이차곡선의 접선의 방정식

문서에서 2020 셀파 기하 답지 정답 (페이지 23-36)

본문 | 64~81 확인 문제

y=kx+2를 xÛ`=-4y에 대입하면 xÛ`=-4(kx+2)

∴ xÛ`+4kx+8=0

이 이차방정식의 판별식을 D라 하면

;;4;D;=(2k)Û`-8<0, kÛ`-2<0, (k+'2)(k-'2)<0

∴ -'2<k<'2

01-1

셀파 직선의 방정식을 포물선의 방정식에 대입하여 얻은 이차방정식의 판별식을 D라 하면 D<0이다.

Û D=0, 즉

k=-'2 또는 k="2일 때 한 점에서 만난다. (접한다.) Ü D<0, 즉 -'2<k<'2일 때 만나지 않는다.

직선 y=2x를 y축의 방향으로 k만큼 평행이동한 직선의 방정식 y=2x+k를 yÛ`=6(x+2)에 대입하면

(2x+k)Û`=6(x+2)

∴ 4xÛ`-2(3-2k)x+kÛ`-12=0  이 이차방정식의 판별식을 D라 하면

;;4;D;=(3-2k)Û`-4(kÛ`-12)=0 9-12k+4kÛ`-4kÛ`+48=0 -12k+57=0 ∴ k=:Á4»:

01-2

셀파 직선을 y축의 방향으로 k만큼 평행이동한 직선의 방 정식을 구하여 포물선의 방정식에 대입한다.

xÛ`=20y=4_5_y에서 p=5

x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기가 60ù인 직선의 기울기는 tan`60ù='3

따라서 구하는 접선의 방정식은 y='3x-('3)Û`_5, 즉 y='3x-15

| 다른 풀이 |

x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기가 60ù인 직선의 기울기는 tan`60ù='3이므로 구하는 접선의 방정식을 y='3x+n으로 놓자.

이것을 포물선의 방정식 xÛ`=20y에 대입하면 xÛ`=20('3x+n) ∴ xÛ`-20'3x-20n=0 이 이차방정식의 판별식을 D라 하면

;;4;D;=(-10'3)Û`+20n=0, 20n=-300 ∴ n=-15 따라서 구하는 접선의 방정식은 y='3x-15

02-1

셀파 x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기가 60ù인 직선의 기울기는 tan`60ù='3이다.

⑴ yÛ`=-2x=4_{-;2!;}_x에서 p=-;2!;이고, m=;2!;이므로 공식 y=mx+ p

m에 대입하면 구하는 접선의 방정식은

y=;2!;x+-;2!;

;2!; ∴ y=;2!;x-1

⑵ 3x+2y-4=0에서 y=-;2#;x+2

xÛ`=6y=4_;2#;_y에서 p=;2#;이고, m=-;2#;이므로 공식 y=mx-mÛ`p에 대입하면 구하는 접선의 방정식은 y=-;2#;x-;4(;_;2#; ∴ y=-;2#;x-:ª8¦:

| 다른 풀이 |

⑴ 접선의 방정식을 y=;2!;x+n으로 놓고, 이것을 포물선의 방정식 yÛ`=-2x에 대입하면

{;2!;x+n}Û`=-2x, ;4!;xÛ`+nx+nÛ`+2x=0 ∴ xÛ`+4(n+2)x+4nÛ`=0

이 이차방정식의 판별식을 D라 하면

;;4;D;=(2n+4)Û`-4nÛ`=0, 16n+16=0 ∴ n=-1 따라서 구하는 접선의 방정식은 y=;2!;x-1

확인 체크 01

셀파 특강

⑵ 접선의 방정식을 y=-;2#;x+n으로 놓고, 이것을 포물선의 방정식 xÛ`=6y에 대입하면

xÛ`=6{-;2#;x+n}, xÛ`=-9x+6n ∴ xÛ`+9x-6n=0

이 이차방정식의 판별식을 D라 하면 D=9Û`-4_(-6n)=0, 81+24n=0 24n=-81 ∴ n=-:ª8¦:

따라서 구하는 접선의 방정식은 y=-;2#;x-:ª8¦:

포물선 yÛ`=4px에 접하고 기울기가 m (m+0)인 접선의 접 점의 좌표를 (xÁ, yÁ)로 놓으면 접선의 방정식은

yÁy=2p(x+xÁ) yy㉠

yÛ`=4px의 양변을 x에 대하여 미분하면 2y dy

dx=4p ∴ dy dx= 2p

y (단, y+0) yy㉡

㉡에 y=yÁ을 대입하면 m=2p

yÁ ∴ yÁ=2p m 한편 yÁÛ`=4pxÁ이므로 4pÛ`

mÛ`=4pxÁ ∴ xÁ= p mÛ`

xÁ= p

mÛ`, yÁ=2p

m 를 ㉠에 대입하면 2pm y=2p{x+ p

mÛ` } ∴ y=mx+ p m

세미나 음함수를 이용한 접선의 방정식

포물선 xÛ`=-8y 위의 점 (-4, -2)에서의 접선의 방정식은 -4x=2_(-2)_(y-2) ∴ y=x+2

따라서 직선 y=x+2가 x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 h라 하면 tan`h=1이므로 h=45ù

03-1

셀파 포물선 xÛ`=4py 위의 점 (xÁ, yÁ)에서의 접선의 방정 식 ⇨ xÁx=2p(y+yÁ)

xÛ`=8y에서 p=2이므로 초점은 F(0, 2)

포물선 xÛ`=8y 위의 점 P(8, 8)에서의 접선의 방정식은 8x=4(y+8) ∴ y=2x-8 yy㉠

직선 ㉠의 y절편이 -8이므로 점 Q의 좌표는 Q(0, -8) 이때 오른쪽 그림과 같이 점 P(8, 8)

에서 y축에 내린 수선의 발을 H라 하 면 H(0, 8)이므로

PHÓ=8, QFÓ=2-(-8)=10 따라서 삼각형 PFQ의 넓이는

;2!;_QFÓ_PHÓ=;2!;_10_8=40

03-2

셀파 포물선 xÛ`=4py 위의 점 (xÁ, yÁ)에서의 접선의 방정 식 ⇨ xÁx=2p(y+yÁ)

y=2x-8 O

F H

Q

P(8, 8) y

x xÛ =8y

점 (-1, 2)에서 포물선 yÛ`=12x에 그은 접선의 접점의 좌표를 (xÁ, yÁ)이라 하면 접선의 방정식은

yÁy=2_3(x+xÁ), 즉 yÁy=6(x+xÁ) yy㉠

이 접선이 점 (-1, 2)를 지나므로

2yÁ=6(-1+xÁ) ∴ 3xÁ-yÁ=3 yy㉡

또 점 (xÁ, yÁ)은 포물선 yÛ`=12x 위의 점이므로

yÁÛ`=12xÁ `  yy㉢

04-1

셀파 점 (-1, 2)는 포물선 yÛ`=12x 밖의 점이다.

y=x+4

yÛ =4x O

A(-1, 3) B(-4, 0) P

y

x

포물선 yÛ`=4x 위의 점 P에서의 접선이 직선 AB와 평행할 때, 점 P와 직선 AB 사이의 거리가 최소이므로 삼각형 PAB의 넓이 도 최소이다.

두 점 A(-1, 3), B(-4, 0)을 지나는 직선의 방정식은 y= 3-0

-1-(-4)(x+4)=x+4

포물선 yÛ`=4x=4_1_x에 접하고 기울기가 1인 접선의 방정식

y=1_x+;1!;=x+1

이때 점 P와 직선 AB 사이의 거리의 최솟값은 직선 y=x+1 위 의 점 (0, 1)과 직선 y=x+4, 즉 x-y+4=0 사이의 거리와 같 으므로

|-1+4|

"Ã1Û`+Ã(-1)Û``= 3 '2= 3'2

2

따라서 ABÓ="Ã(-4Ã+1)ÃÛ`+(Ã0-3)Û`=3'2이므로 구하는 삼각 형 ABP의 넓이의 최솟값은

;2!;_3'2_ 3'22 =;2(;

| 참고 |

삼각형 ABP의 넓이가 최소일 때는 ABÓ를 밑변으로 생각하였을 때 포물 선 위의 점 P와 직선 AB 사이의 거리가 최소일 때이다.

포물선 yÛ`=4x 위의 점 P에서 직선 y=x+4에 내린 수선의 발을 H라 하 면 PHÓ의 최솟값은 직선 y=x+4에 평행, 즉 기울기가 1이고 포물선 yÛ`=4x에 접하는 직선과 직선 y=x+4 사이의 거리와 같다.

02-2

셀파 삼각형 ABP의 넓이가 최소일 때는 ABÓ를 밑변으로 생각하였을 때, 포물선 위의 점 P와 직선 AB 사이의 거리가 최소일 때이다.

| 다른 풀이 |

[판별식 D=0을 이용]

포물선 xÛ`=-8y 위의 점 (-4, -2)에서의 접선의 방정식을

y=m(x+4)-2라 하고, 이 식을 포물선의 방정식 xÛ`=-8y에 대입하면 xÛ`=-8(mx+4m-2) ∴ xÛ`+8mx+32m-16=0

이 이차방정식의 판별식을 D라 하면

:4;D;=(4m)Û`-(32m-16)=0, (m-1)Û`=0 ∴ m=1 따라서 이 직선이 x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 h라 하면 tan`h=1 ∴ h=45ù

[음함수의 미분법 이용]

방정식 xÛ`=-8y의 양변을 x에 대하여 미분하면 2x=-8dy

dx ∴ dy dx =-;4!;x

포물선 xÛ`=-8y 위의 점 (-4, -2)에서의 접선의 기울기는 -;4!;_(-4)=1이므로 접선이 x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 h라 하면

tan`h=1 ∴ h=45ù

yÛ`=8x=4_2_x에서 p=2이므로 접선의 기울기를 m이라 하 면 접선의 방정식은 y=mx+ 2

m 점 (k, 8)이 직선 y=mx+ 2

m 위의 점이므로 8=mk+ 2

m , kmÛ`-8m+2=0 yy㉠

04-2

셀파 포물선 yÛ`=8x에 접하고 기울기가 m인 접선의 방정 식은 y=mx+ 2

m 이다.

y=mx+4를 4xÛ`+yÛ`=4에 대입하면

4xÛ`+(mx+4)Û`=4, 4xÛ`+mÛ`xÛ`+8mx+16=4

∴ (4+mÛ`)xÛ`+8mx+12=0

이 이차방정식의 판별식을 D라 하면

;;4;D;=(4m)Û`-12(4+mÛ`)=4mÛ`-48

⑴ 타원과 직선이 서로 다른 두 점에서 만나려면 D>0이어야 하 므로

4mÛ`-48>0, mÛ`-12>0

 (m+2'3)(m-2'3)>0 ∴ m<-2'3 또는 m>2'3

⑵ 타원과 직선이 접하려면 D=0이어야 하므로 4mÛ`-48=0, mÛ`-12=0

 (m+2'3)(m-2'3)=0 ∴ m=Ñ2'3

⑶ 타원과 직선이 만나지 않으려면 D<0이어야 하므로 4mÛ`-48<0, mÛ`-12<0

(m+2'3)(m-2'3)<0 ∴ -2'3<m<2'3

05-1

셀파 y=mx+4를 4xÛ`+yÛ`=4에 대입하여 얻은 이차방정 식의 판별식을 이용한다.

㉡에서 3xÁ=yÁ+3이고, 이것을 ㉢에 대입하면 yÁÛ`=4yÁ+12, yÁÛ`-4yÁ-12=0

(yÁ+2)(yÁ-6)=0 ∴ yÁ=-2 또는 yÁ=6

∴ yÁ=-2일 때 xÁ=;3!;, yÁ=6일 때 xÁ=3 이것을 ㉠에 대입하면 구하는 접선의 방정식은 y=-3x-1 또는 y=x+3

| 다른 풀이 |

[기울기가 주어질 때의 공식 이용]

점 (-1, 2)에서 포물선 yÛ`=12x에 그은 접선의 기울기를 m이라 하면 접선의 방정식은

y=mx+ 3

m yy㉠

접선 ㉠이 점 (-1, 2)를 지나므로 2=-m+ 3

m , mÛ`+2m-3=0

(m+3)(m-1)=0 ∴ m=-3 또는 m=1 이것을 ㉠에 대입하면 구하는 접선의 방정식은 y=-3x-1 또는 y=x+3

[판별식 D=0을 이용]

점 (-1, 2)에서 포물선 yÛ`=12x에 그은 접선의 방정식을 x-(-1)=m(y-2), 즉 x=my-2m-1 yy㉠

로 놓고 포물선의 방정식에 대입하면 yÛ`=12(my-2m-1)

∴ yÛ`-12my+24m+12=0 이 이차방정식의 판별식을 D라 하면

;4;D;=(-6m)Û`-(24m+12)=0 3mÛ`-2m-1=0, (3m+1)(m-1)=0

∴ m=-;3!; 또는 m=1

이것을 ㉠에 대입하면 구하는 접선의 방정식은 y=-3x-1 또는 y=x+3

이때 m에 대한 이차방정식 ㉠의 두 실근은 각각 점 (k, 8)에서 포물선 yÛ`=8x에 그은 두 접선의 기울기이고, 두 접선은 서로 수 직이므로 이차방정식의 근과 계수의 관계에 의하여

;k@;=-1 ∴ k=-2

| 다른 풀이 |

포물선 밖의 한 점에서 포물선에 그은 두 접선이 서로 수직이면 그 점은 포 물선의 준선 위에 있으므로 점 (k, 8)은 포물선 yÛ`=8x의 준선인 직선 x=-2 위에 있다.

∴ k=-2

xÛ`

4 +yÛ`

8 =1에서 aÛ`=4, bÛ`=8이고, m=;2!;이므로 구하는 접선의 방정식은

y=;2!;xѾ¨4_;¨4!;+8 ∴ y=;2!;xÑ3 확인 체크 02

셀파 특강

타원 xÛ`

5 +yÛ`

4 =1에 접하고 기울기가 1인 접선의 방정식은 y=xÑ'Ä5_1¶+Œ4 ∴ y=xÑ3

직선 y=x-3 위의 한 점 (3, 0)과 직선 y=x+3, 즉 x-y+3=0 사이의 거리는

|3+3|

'Ä1+1 = 6 '2=3'2

따라서 구하는 두 접선 사이의 거리는 3'2

06-1

셀파 타원에 접하고 기울기가 1인 접선의 방정식을 구한다.

오른쪽 그림과 같이 타원 위의 점 P 와 직선 AF 사이의 거리가 최대이려 면 점 P에서의 접선의 기울기가 직선 AF의 기울기와 같아야 한다.

이때 꼭짓점 A와 초점 F의 좌표는 각각 A(0, -1), F(1, 0)이므로 직 선 AF의 방정식은

y=x-1 또 타원 xÛ`

2 +yÛ`=1에 접하고 기울기가 1인 접선의 방정식은 y=xÑ'Ä2_1¶+Œ1 ∴ y=xÑ'3

이 중 거리가 최대가 되는 점 P에서의 접선의 방정식은

y=x+'3이고, 이 직선 위의 한 점 (0, '3 )과 직선 y=x-1, 즉 x-y-1=0 사이의 거리는

|-'3-1|

'Ä1+1 = '3+1

'2 = '6+'2 2 따라서 구하는 최댓값은 '6+'2

2

06-2

셀파 직선 AF와 평행한 타원의 접선의 방정식을 구한다.

y=x-1 y=x+13

O A

F P

13y

x

타원 xÛ`

4 +yÛ`

2 =1 위의 점 P('2, 1) 에서 x축에 내린 수선의 발 H의 좌표 는 H('2, 0)이므로

PHÓ=1

점 P('2, 1)에서의 접선의 방정식은

07-1

셀파 타원 xÛ`aÛ`+yÛ`bÛ`=1 위의 점 (xÁ, yÁ)에서의 접선의 방 정식 ⇨ xÁx

aÛ` +yÁy bÛ` =1

O H T

P(12, 1)

-12 12

-2 2

y

x

⑵ 타원 (x+2)Û`

4 +(y-3)Û`

8 =1은 타원 xÛ`

4 +yÛ`

8 =1을 x축의 방향으로 -2만큼, y축의 방향으로 3만큼 평행이동한 것이다.

O 7

3

1

-3 y

x

따라서 구하는 접선은 ⑴에서 구한 접선을 x축의 방향으로 -2만큼, y축의 방향으로 3만큼 평행이동하면 된다. 즉, y-3=;2!;(x+2)Ñ3

∴ y=;2!;x+7 또는 y=;2!;x+1

| 다른 풀이 |

⑴ 기울기가 ;2!;인 접선의 방정식을 y=;2!;x+n으로 놓고, 이것을 xÛ`

4 +yÛ`

8 =1, 즉 2xÛ`+yÛ`=8에 대입하면 2xÛ`+{;2!;x+n}Û`=8, 2xÛ`+;4!;xÛ`+nx+nÛ`=8 ∴ 9xÛ`+4nx+4nÛ`-32=0

이 이차방정식의 판별식을 D라 하면

;;4;D;=(2n)Û`-9(4nÛ`-32)=0 -32(nÛ`-9)=0, nÛ`=9 ∴ n=Ñ3 따라서 구하는 접선의 방정식은 y=;2!;xÑ3

⑵ 기울기가 ;2!;인 접선의 방정식을 y=;2!;x+n으로 놓고, 이것을 (x+2)Û`

4 +(y-3)Û`

8 =1, 즉 2(x+2)Û`+(y-3)Û`=8에 대입하면 2(x+2)Û`+{;2!;x+n-3}Û`=8

2xÛ`+8x+8+;4!;xÛ`+(n-3)x+nÛ`-6n+9=8 ∴ 9xÛ`+4(n+5)x+4nÛ`-24n+36=0 이 이차방정식의 판별식을 D라 하면

;;4;D;={2(n+5)}Û`-9(4nÛ`-24n+36)=0 -32(nÛ`-8n+7)=0, nÛ`-8n+7=0 (n-1)(n-7)=0 ∴ n=1 또는 n=7 따라서 구하는 접선의 방정식은

y=;2!;x+1 또는 y=;2!;x+7

음함수의 미분법을 이용하여 접선의 방정식 구하기

타원 xÛ`

4 +yÛ`

2 =1 위의 점 P('2, 1)에서의 접선의 방정식을 음함수의 미분법을 이용하여 구하여 보자.

xÛ`

4 +yÛ`

2 =1의 양변을 x에 대하여 미분하면 2x4 +2y

2 dy

dx=0 ∴ dy

dx=-;2Ó]; (단, y+0) 이때 타원 위의 점 P('2, 1)에서의 접선의 기울기는 - '2

2_1 =-'2 2

따라서 구하는 접선의 방정식은 y-1=- '2

2 (x-'2 ) ∴ y=-'2 2 x+2

LEC TURE

타원 xÛ`

16 +yÛ`

9 =1 위의 점 P의 좌표를 P(xÁ, yÁ)이라 하면 점 P(xÁ, yÁ)에서의 접선의 방정식은

xÁx16 +yÁy

9 =1 yy㉠

㉠에 x=0을 대입하면 yÁy

9 =1 ∴ y= 9

즉, 접선 ㉠과 y축의 교점 Q의 좌표는 Q{0, 9 yÁ }

∴ QOÓ=| 9 yÁ |

또 점 P(xÁ, yÁ)에서 x축에 내린 수선의 발 H의 좌표는 H(xÁ, 0)이므로 PHÓ=|yÁ|

∴ PHÓ_QOÓ=|yÁ|_| 9 yÁ |=9

07-2

셀파 점 P의 좌표를 P(xÁ, yÁ)로 놓고 타원 위의 점 P에서 의 접선의 방정식을 구한다.

'2x4 +;2};=1

이때 이 접선과 x축의 교점 T의 좌표는 T(2'2, 0)이므로 HÕTÓ=2'2-'2='2

따라서 구하는 삼각형 PHT의 넓이는

;2!;_HËÍÙØèéóôóôíéèæØÙÕËTÓ_PHÓ=;2!;_'2_1= '2 2

'2x

4 +;2};=1에 y=0을 대입하여 풀면 x=2'2

점 (3, 1)에서 타원 xÛ`

9 +yÛ`

5 =1에 그은 접선의 접점의 좌표를 (xÁ, yÁ)로 놓으면 접선의 방정식은

xÁx 9 +yÁy

5 =1 ∴ 5xÁx+9yÁy=45 yy㉠

이 접선이 점 (3, 1)을 지나므로

15xÁ+9yÁ=45 ∴ 5xÁ+3yÁ=15 yy㉡

또 점 (xÁ, yÁ)은 타원 xÛ`

9 +yÛ`

5 =1 위의 점이므로 xÁÛ`

9 +yÁÛ`

5 =1 ∴ 5xÁÛ`+9yÁÛ`=45 yy㉢

㉡에서 3yÁ=5(3-xÁ) 이것을 ㉢에 대입하면

5xÁÛ`+25(3-xÁ)Û`=45, 30xÁÛ`-150xÁ+180=0 xÁÛ`-5xÁ+6=0, (xÁ-2)(xÁ-3)=0

∴ xÁ=2 또는 xÁ=3 xÁ=2일 때 yÁ=;3%;

xÁ=3일 때 yÁ=0

따라서 접점의 좌표는 {2, ;3%;} 또는 (3, 0)이다.

이것을 ㉠에 대입하면 구하는 접선의 방정식은 10x+15y=45, 15x=45

∴ y=-;3@;x+3 또는 x=3

| 주의 | 타원 xÛ`

9 +yÛ`

5 =1에 접하고 기울기가 m인 접선의 방정식은 y=mxÑ"Ã9mÛ`+½5 yy㉠

직선 ㉠이 점 (3, 1)을 지나므로

1=3mÑ"Ã9mÛ`+½5 ∴ Ñ"Ã9mÛ`+½5=-3m+1 이 식의 양변을 제곱하면

9mÛ`+5=9mÛ`-6m+1 6m=-4 ∴ m=-;3@;

이 값을 ㉠에 대입하면 y=-;3@;xÑ3

이때 점 (3, 1)을 지나는 직선은 y=-;3@;x+3 뿐이다.

또 이 방법으로는 점 (3, 1)을 지나면서 y축에 평행한 타원의 접선의 방정 식인 x=3을 구할 수 없다.

이와 같이 기울기가 주어질 때의 타원의 접선의 방정식을 구하는 공식 y=mxÑ"ÃaÛ`mÛ`Ã+bÛ`을 이용하는 경우 주어진 점을 지나지 않는 직선이 나 올 수 있고, y축에 평행한 접선은 구할 수 없는 경우가 있다는 것에 유의하 자.

08-1

셀파 접선이 주어진 점을 지남을 이용한다.

y=x+k를 2xÛ`-3yÛ`=6에 대입하면

2xÛ`-3(x+k)Û`=6, 2xÛ`-(3xÛ`+6kx+3kÛ`)=6

∴ xÛ`+6kx+3kÛ`+6=0  이 이차방정식의 판별식을 D라 하면

;4;D;=(3k)Û`-(3kÛ`+6)=6kÛ`-6

⑴ 쌍곡선과 직선이 서로 다른 두 점에서 만나려면 D>0이어야 하므로

6kÛ`-6>0, kÛ`-1>0, (k+1)(k-1)>0 ∴ k<-1 또는 k>1

⑵ 쌍곡선과 직선이 접하려면 D=0이어야 하므로 6kÛ`-6=0, kÛ`-1=0, (k+1)(k-1)=0 ∴ k=Ñ1

⑶ 쌍곡선과 직선이 만나지 않으려면 D<0이어야 하므로

⑶ 쌍곡선과 직선이 만나지 않으려면 D<0이어야 하므로

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