가 직선 y=−x+5b와 만나는 두 점을 각각 A, B, 직선 y=−x+12b와 만나는 두 점을 각각 C, D라 할 때, 선분 CD 위의 점 E가 다음 조건을 만족시킨다.
(가) 두 점 A, E는 곡선 y=loga(x+b)+b 위의 점이다.
(나) (삼각형 ACE의 넓이) =115× (사각형 ABDE의 넓이)
사각형 ABDC의 넓이를 구하시오. [4점]
1. 두 직선 위의 도형
구하는 것은 넓이이므로, 먼저 두 지수함수의 그래프가 만드는 선분의 길이와 두 직선 사이의 거리를 확인한다. 두 번째 지수함수의 그래프는 첫 번째 그래프를 오른쪽으로 8b, 아래로 8b만큼 평행이동한 것이다. 이 평행이동은 x+y의 값을 바꾸지 않으므로 두 직선 x+y=5b, x+y=12b를 각각 자기 자신으로 옮긴다.
두 지수함수는 모두 증가함수이고, 두 직선의 기울기는 음수이므로 각 그래프와 각 직선의 교점은 유일하다. 따라서 A를 평행이동한 점이 B이고, C를 평행이동한 점이 D이다.
발상 · 같은 이동으로 생기는 두 선분
AB와 CD는 길이가 같고 평행하다. 따라서 ABDC는 평행사변형이고, 밑변과 높이는 곡선의 자세한 모양을 구하지 않아도 정해진다.
AB=CD=(8b)2+(−8b)2=82b.
두 평행선 사이의 거리는 212b−5b=27b이다. 넓이를 S라 두면
S=[ABDC]=(82b)27b=56b2.
이제 b를 정하면 된다.
2. 넓이 조건의 사용
T=[ACE]라 두면 [ABDE]=S−T이므로 조건 (나)에서
T=115(S−T)⟹T=165S.
삼각형 ACD의 넓이는 S/2이고, 삼각형 ACE와 ACD는 밑변이 같은 직선 CD 위에 있어 높이가 같다. 따라서
CDCE=[ACD][ACE]=1/25/16=85.
E는 C에서 D 쪽으로 선분 CD의 5/8만큼 이동한 점이다. C에서 D로는 오른쪽 8b, 아래 8b만큼 이동하므로, C에서 E로는 오른쪽 5b, 아래 5b만큼 이동한다.
3. 두 점의 위치
기하적 비율만으로는 b가 정해지지 않는다. 이를 결정하려면 같은 지수함수의 그래프 위의 두 점 A, C의 좌표를 알아야 한다. 조건 (가)가 그 위치를 제한한다.
함수 y=ax의 그래프 위의 점 (u,v)를 직선 y=x+b에 대하여 대칭이동하면 (v−b,u+b)가 된다. v=au이면 u+b=loga((v−b)+b)+b이므로, 주어진 지수함수와 로그함수의 그래프는 이 직선에 대하여 대칭이다.
발상 · 대칭이동한 점도 같은 직선 위에 있다
이 대칭이동 역시 x+y의 값을 바꾸지 않는다. A를 대칭이동한 점은 로그함수의 그래프와 x+y=5b의 교점이다. 로그함수는 증가함수이고 이 직선의 기울기는 음수이므로 그 교점은 하나뿐이며, 이미 A가 그 교점이다. 따라서 A는 대칭축 위에 있다.
마찬가지로 C를 대칭이동한 점은 로그함수의 그래프와 x+y=12b의 유일한 교점 E이다.
A는 y=x+b와 x+y=5b 위에 있으므로
A=(2b,3b).
C의 좌표를 (u,v)라 하면, 앞 단계의 이동량과 대칭 관계로 E의 좌표를 두 가지로 나타낼 수 있다.
E=(u+5b,v−5b)=(v−b,u+b).
따라서 v−u=6b이고, C가 놓인 직선에서 u+v=12b이다. 두 식을 풀면
C=(3b,9b).
주의 · 대칭성을 적용하는 근거
대칭인 두 곡선의 공통점이 항상 대칭축 위에 있는 것은 아니다. 여기서는 증가함수의 그래프와 기울기가 음수인 직선의 교점이 유일하다는 사실이 A를 대칭이동한 점이 A와 일치함을 보장한다.
4. 값의 결정
A와 C가 모두 y=ax 위에 있으므로
a2b=3b,a3b=9b.
두 식을 나누어 ab=3을 얻는다. 따라서
3b=a2b=(ab)2=9⟹b=3.
이를 첫 단계의 넓이 식에 대입하면
[ABDC]=56⋅32=504
부록 · 벡터의 기초부터 이 문제에 적용하기
이 부록은 벡터의 뜻을 처음 배우는 독자를 기준으로 썼다. 좌표로 이동을 나타내는 방법에서 시작하여, 필요한 연산을 하나씩 정의한 뒤 이 문제에 적용한다. 점의 좌표와 위치벡터, 실수와 벡터를 구분하면서 읽으면 된다.
1. 벡터와 위치벡터
벡터는 크기와 방향을 함께 나타내는 양이다. 평면벡터 u=(2,−1)는 좌표평면에서 오른쪽으로 2, 아래쪽으로 1만큼 이동하는 것을 나타낸다. 두 수 2와 −1을 이 벡터의 성분이라고 한다.
이 벡터를 나타내는 화살표는 시작점을 옮겨 그려도 된다. 이동하는 방향과 거리가 같으면 같은 벡터이다. 벡터의 크기는 화살표의 길이이며, 피타고라스 정리에 따라
∣u∣=22+(−1)2=5.
일반적으로 u=(p,q)이면 ∣u∣=p2+q2이다. 크기가 0인 벡터 0=(0,0)를 영벡터라고 한다. 영벡터의 방향은 정하지 않는다.
한편 점 P(x,y)에 대하여 원점 O에서 P로 향하는 벡터 OP=(x,y)를 P의 위치벡터라고 한다. 성분은 점의 좌표와 같지만, 위치벡터는 ‘원점에서 그 점까지의 이동’을 나타낸다.
정보 · 이 부록의 표기 약속
점은 A, B, C처럼 보통 글자로, 그 점의 위치벡터는 A,B,C처럼 굵은 글자로 쓴다. 즉 A=OA이다. 매개변수 a,b는 실수이고, 굵은 글자의 벡터와 구분한다.
2. 덧셈·뺄셈·실수배가 뜻하는 것
벡터는 성분끼리 계산한다. 먼저 u=(p,q)와 w=(r,s)의 덧셈은
u+w=(p+r,q+s)
로 정의한다. 이는 u만큼 이동한 다음 w만큼 더 이동한 결과이다. 예를 들어 (2,−1)+(1,3)=(3,2)이다.
뺄셈은 u−w=(p−r,q−s)이다. 특히 두 점 P, Q의 위치벡터를 빼면 P에서 Q로 이동하는 벡터를 얻는다.
PQ=Q−P.
연산을 위한 예로 P의 좌표가 (1,4), Q의 좌표가 (4,2)라면
Q−P=(4−1,2−4)=(3,−2).
따라서 P에서 오른쪽으로 3, 아래쪽으로 2만큼 이동하면 Q에 도착한다. 이 관계를 위치벡터의 덧셈으로 다시 쓰면 Q=P+(3,−2)이다.
실수 k를 벡터에 곱하는 벡터의 실수배는
ku=(kp,kq)
이다. 영벡터가 아닌 벡터에 대하여 k>0이면 방향이 같고 길이는 k배이다. k<0이면 방향이 반대이고 길이는 ∣k∣배이며, k=0이면 영벡터가 된다. 예를 들어 3(2,−1)=(6,−3), −21(2,−1)=(−1,21)이다.
이제 B=A+t라는 식은 ‘A에서 이동벡터 t만큼 이동하면 B에 도착한다’는 뜻으로 읽을 수 있다.
3. 이 문제에 맞는 두 방향을 고르기
문제에서 두 지수함수의 그래프 사이의 이동은 오른쪽 8b, 아래쪽 8b이다. 따라서 이 이동을 나타내는 벡터는
t=(8b,−8b)=8b(1,−1).
성분의 공통인수를 묶어 쓸 수 있도록 다음 벡터를 정하자.
v=(1,−1),t=8bv.
v는 기울기가 −1인 직선을 따라가는 방향이다. 실제로 (x,y)에서 (x+s,y−s)로 이동하면 좌표의 합 x+y가 바뀌지 않는다. 따라서 v 방향의 이동은 직선 x+y=k를 따라가는 이동이다.
두 평행선 사이의 거리와 대칭이동도 다루어야 하므로, 여기에 수직인 방향도 하나 정한다.
n=(1,1).
n은 기울기가 1인 방향이므로 v와 수직이다. 또한 대칭축 y=x+b에 평행하다. 두 벡터의 크기는 모두 2이다.
본문에서 확인한 대응점 관계를 벡터로 쓰면
B=A+8bv,
D=C+8bv.
두 식은 각각 AB=8bv, CD=8bv라는 뜻이다. 두 이동벡터가 같으므로 AB와 CD는 방향과 길이가 같고, ABDC는 평행사변형이다.
4. 내적은 두 벡터로부터 실수 하나를 만드는 연산
벡터의 내적은 같은 위치의 성분끼리 곱한 뒤 더하는 연산이다.
(p,q)⋅(r,s)=pr+qs.
결과는 벡터가 아니라 실수이다. 예를 들어 (2,−1)⋅(1,3)=2−3=−1이다. 내적을 나타내는 가운데 점 ⋅을 벡터의 실수배와 구분해야 한다.
식
계산 결과의 종류
3v=(3,−3)
벡터의 실수배: 결과는 벡터
v⋅(x,y)=x−y
내적: 결과는 실수
(x−y+b)v
실수 x−y+b를 벡터에 곱함: 결과는 벡터
z=(x,y)를 어떤 점의 위치벡터라고 하면, 앞서 정한 두 벡터와의 내적은
n⋅z=x+y,
v⋅z=x−y.
이다. 즉 n과 내적하면 좌표의 합을, v와 내적하면 두 좌표의 차를 얻는다. 이 때문에 이 문제에서 두 벡터를 사용하면 직선의 조건을 짧게 나타낼 수 있다.
내적은 길이와 각도에도 연결된다. 영벡터가 아닌 두 벡터 u,w가 이루는 각을 θ라 하면
u⋅w=∣u∣∣w∣cosθ.
특히 두 벡터가 수직이면 내적은 0이다. 실제로 n⋅v=1−1=0이다.
크기가 1인 벡터를 단위벡터라고 한다. 단위벡터 e와 영벡터가 아닌 w가 이루는 각을 θ라 하면, e⋅w=∣w∣cosθ는 w의 e 방향 성분을 나타내는 실수이다. 이 수의 절댓값이 그 방향으로의 정사영의 길이이다. 내적의 부호는 성분이 e와 같은 방향인지, 반대 방향인지를 알려 준다. w=0이면 내적과 정사영의 길이는 모두 0이다.
주의 · 좌표의 합과 실제 거리는 다르다
n의 크기는 2이므로 n⋅z=x+y를 곧바로 거리로 읽으면 안 된다. 같은 방향의 단위벡터는 n=n/2이고,
n⋅z=2x+y.
이 수는 부호를 포함한 방향 성분이고, 위치벡터 z를 이 방향으로 정사영한 길이는 ∣x+y∣/2이다. 길이를 구할 때에는 절댓값도 취해야 한다.
5. 직선의 조건을 내적으로 쓰고 넓이 구하기
A와 C가 놓인 두 직선은 각각 x+y=5b, x+y=12b이다. 이 조건은 위치벡터를 이용하면
n⋅A=5b,n⋅C=12b
가 된다. 이 식은 좌표의 합을 내적으로 바꾸어 쓴 것이다.
두 직선을 따라가는 방향은 v이고, 두 직선에 수직인 방향은 n이다. 따라서 두 직선 사이의 거리는 A에서 C까지의 이동을 n 방향으로 정사영한 길이와 같다. 내적을 성분끼리 계산하면
n⋅(C−A)
=n⋅C−n⋅A=7b.
n을 단위벡터로 바꾸어 거리 h를 구하면
h=2n⋅(C−A)=27b.
한편 밑변 AB의 길이는 이동벡터 t의 크기이므로
AB=∣t∣=∣8bv∣=82b.
이제 밑변에 높이를 곱하면 된다.
S=[ABDC]=82b⋅27b=56b2.
이 계산에서는 내적이 두 평행선 사이의 높이를 구하는 역할을 했다. 넓이는 익숙한 평행사변형의 넓이 공식으로 구했다.
6. 선분 위의 점을 벡터로 나타내기
E는 선분 CD 위에 있으므로, C에서 D까지의 이동 중 어느 비율만큼 이동한 점으로 표현할 수 있다. 그 비율을
λ=CDCE(0≤λ≤1)
이라 하자. 그리스 문자 λ는 ‘람다’라고 읽으며, 여기서는 선분의 길이의 비를 나타내는 실수이다. λ=0이면 E=C이고, λ=1이면 E=D이다. λ=1/2이면 E는 CD의 중점이다.
C에서 E까지는 C에서 D까지의 이동벡터의 λ배만큼 이동하므로
CE=λCD=λt.
이를 위치벡터로 바꾸어 쓰면
E−C=λt,E=C+λt.
같은 식을 t=D−C로 풀어 쓰면 E=(1−λ)C+λD이다. 0<λ<1일 때 선분 CD의 내분점을 나타내는 식이다.
이제 조건 (나)로 λ를 정한다. 삼각형 ACE와 ACD는 높이가 같으므로 넓이의 비는 밑변의 비 λ와 같다. 또한 [ACD]=S/2이므로
[ACE]=λ2S,
[ABDE]=S−λ2S=(1−2λ)S.
주어진 넓이비를 대입하고 양변을 S로 나누면
2λ=115(1−2λ),
11λ=10−5λ⟹λ=85.
따라서 다음 식이 나온다.
E−C=85(8bv)=5bv.
이는 좌표로 (5b,−5b)만큼 이동한다는 뜻이다. λ가 선분의 비라는 점과, 삼각형의 넓이에서는 여기에 1/2이 추가된다는 점을 구분하자.
7. 대칭이동 공식을 직접 만들기
이제 A와 C의 위치를 결정해야 한다. 두 점이 같은 지수함수의 그래프 위에 있으므로, 이들의 좌표가 정해지면 함수식에 대입할 수 있다. 여기에서 조건 (가)의 대칭 관계를 이용한다.
먼저 직선 y=x+b에 대한 대칭이동을 벡터로 나타내 보자. 위치벡터가 z=(x,y)인 점 P에서 이 직선에 내린 수선의 발을 H라고 하자.
대칭축에 수직인 방향은 v=(1,−1)이므로 P에서 H까지의 이동은 어떤 실수 α에 대하여 −αv로 쓸 수 있다. 따라서
H=z−αv.
여기서 α의 부호는 P가 대칭축의 어느 쪽에 있는지에 따라 달라진다. H는 대칭축 위의 점이므로 xH−yH=−b, 즉
v⋅H+b=0.
이 식에 H의 위치벡터를 대입하고 내적을 계산하면
v⋅z−α(v⋅v)+b=0.
v⋅v=12+(−1)2=2이므로
α=2v⋅z+b,
H=z−2v⋅z+bv.
P를 이 직선에 대하여 대칭이동한 점을 Q라고 하면 H는 선분 PQ의 중점이다. 중점의 위치벡터는 두 끝점의 위치벡터의 평균이므로
H=2z+Q.
따라서 Q=2H−z이고, 위에서 구한 H를 대입하면
Q=z−(v⋅z+b)v.
발상 · 수선의 발을 먼저 구하고, 그만큼 한 번 더 이동한다
수선의 발 H까지의 이동량을 구한 다음 같은 이동을 한 번 더 하면 대칭이동한 점 Q에 도착한다. 이 때문에 H를 구할 때 있었던 분모 2가 마지막 식에서는 사라진다.
직선 y=x+b에 대한 대칭이동을 R라 쓰면, 방금 얻은 식은
R(z)=z−(v⋅z+b)v.
이다. 이 식은 다음 순서로 계산한다. 먼저 내적으로 실수 v⋅z+b=x−y+b를 구한다. 그 실수에 v를 곱하여 이동벡터를 만든 뒤, 원래 위치벡터에서 뺀다.
실제로 성분으로 전개하면
R(z)=(x,y)−(x−y+b)(1,−1)
=(x−(x−y+b),y+(x−y+b))
=(y−b,x+b).
따라서 본문에서 사용한 대칭이동한 점의 좌표와 일치한다.
계산을 확인하는 별도의 예로, 이 문단에서만 b=1이고 P의 좌표가 (3,1)이라고 해 보자. 대칭축은 y=x+1이고,
v⋅z+b=3−1+1=3,
R(z)=(3,1)−3(1,−1)=(0,4).
따라서 대칭이동한 점 Q는 (0,4)이다. 두 점의 중점 (23,25)는 y=x+1 위에 있고, 두 점을 잇는 선분은 그 직선에 수직이다.
8. 대칭 관계로 A와 C의 좌표 구하기
y=ax의 그래프 위의 점 (u,au)를 방금 구한 식으로 대칭이동하면 (au−b,u+b)가 된다. 이 점은 y=loga(x+b)+b의 그래프 위에 있다. 따라서 이 대칭이동은 두 함수의 그래프를 서로 옮긴다.
또한 대칭이동한 점의 좌표의 합은 (y−b)+(x+b)=x+y이므로 변하지 않는다. 따라서 A를 대칭이동한 점도 로그함수의 그래프와 직선 x+y=5b 위에 있다. 이 로그함수는 증가함수이고 직선의 기울기는 음수여서 교점은 유일하다. 이미 A가 그 교점이므로
R(A)=A.
마찬가지로 C를 대칭이동한 점은 로그함수의 그래프와 x+y=12b의 유일한 교점 E이다. 따라서
R(C)=E.
이제 첫 번째 식에 대칭이동 공식을 넣으면
A−(v⋅A+b)v=A.
v=(1,−1)은 영벡터가 아니므로 v에 곱해진 실수가 0이어야 한다. 따라서
v⋅A=−b.
A의 좌표를 (xA,yA)라 하면, 앞서 얻은 n⋅A=5b와 합쳐
xA+yA=5b,xA−yA=−b.
두 식을 더하고 빼면 xA=2b, yA=3b이므로 A=(2b,3b)이다.
다음으로 C에 대해서는 대칭이동 관계에서
E−C=−(v⋅C+b)v
를 얻는다. 그런데 6절에서 넓이비를 이용해 E−C=5bv를 구했다. 같은 이동벡터를 두 가지로 쓴 것이므로
−(v⋅C+b)v=5bv.
v은 영벡터가 아니므로 양쪽에서 이 벡터에 곱해진 실수가 같다. 성분으로 보면 k(1,−1)=l(1,−1)에서 첫 번째 성분을 비교하여 k=l을 얻는 것과 같다.
−(v⋅C+b)=5b,
v⋅C=−6b.
C의 좌표를 (xC,yC)라 하면 n⋅C=12b와 함께
xC+yC=12b,xC−yC=−6b.
따라서 xC=3b, yC=9b이고, C=(3b,9b)이다.
9. 함수 위의 점이라는 조건으로 마무리하기
벡터로 정리한 것은 점들의 위치와 이동 관계이다. 이제 A와 C가 실제로 같은 지수함수 y=ax의 그래프 위에 있다는 조건을 쓴다.
a2b=3b,a3b=9b.
두 식을 나누면 ab=3이고, 첫 번째 식에서
3b=(ab)2=9⟹b=3.
따라서 5절에서 구한 넓이는 S=56b2=504이다. 벡터는 기하 관계를 정리하는 데 사용했고, 도형의 실제 크기를 결정하는 데에는 함수식을 함께 사용했다.
10. 넓이를 행렬식으로 짧게 쓰는 이유
앞에서는 밑변과 높이를 구하여 넓이를 계산했다. 두 변을 나타내는 벡터의 성분만으로 같은 계산을 한 번에 하는 표기도 있다. 두 평면벡터 u=(p,q), w=(r,s)에 대하여
det(u,w)=ps−qr
로 정의한다. det은 행렬식을 나타내는 기호이다. 두 벡터가 만드는 평행사변형의 넓이는 이 값의 절댓값이다. 이 사실을 앞서 배운 내적과 높이로 확인해 보자.
u=0이라고 하자. 밑변을 u=(p,q)로 잡으면, 이에 수직인 단위벡터로 다음을 쓸 수 있다.
e=p2+q2(−q,p).
실제로 (p,q)⋅(−q,p)=0이고 ∣e∣=1이다. 따라서 다른 변 w=(r,s)를 이 방향으로 정사영한 길이가 높이이며,
h=∣e⋅w∣=p2+q2∣ps−qr∣.
여기에 밑변의 길이 ∣u∣=p2+q2를 곱하면
∣u∣h=∣ps−qr∣=∣det(u,w)∣.
밑변 벡터가 영벡터이면 도형이 한 선분 또는 한 점으로 겹쳐 넓이가 0이고, 행렬식도 0이다. 따라서 이 경우에도 같은 넓이 식이 성립한다. 두 벡터의 순서를 바꾸면 행렬식의 부호가 바뀌므로, 넓이를 구할 때에는 절댓값을 취한다.
이 문제에서는 한 변이 t=AB=(8b,−8b)이고 다른 변이 w=AC=C−A이다. w=(wx,wy)로 쓰면
det(t,w)=(8b)wy−(−8b)wx
=8b(wx+wy)=8bn⋅w.
이미 n⋅(C−A)=7b를 구했으므로
S=∣det(t,C−A)∣=56b2.
즉, 행렬식으로 쓴 넓이 식은 앞에서 계산한 ‘밑변×높이’를 성분 계산으로 모아 놓은 것이다.
11. 압축된 벡터 식을 다시 읽기
마지막으로 두 방향벡터를 이용해 위치벡터를 표현하는 방법을 확인하자. z=(x,y)를
z=αn+βv
로 쓰려면 (x,y)=(α+β,α−β)이어야 한다. 따라서
α=2x+y,β=2x−y,
z=2x+yn+2x−yv.
이는 벡터를 서로 수직인 두 방향으로 나누어 쓴 식이다. 각 방향에 곱해진 실수는 벡터의 실수배를 정하는 계수이다. 두 방향벡터의 크기가 2이므로, 계수 자체가 그 방향 성분의 길이는 아니다.
A의 좌표 (2b,3b)와 A에서 C까지의 이동벡터 (b,6b)에 이 식을 적용하면
A=25bn−2bv,
C−A=27bn−25bv.
첫 번째 식은 원점에서 A까지의 위치를, 두 번째 식은 A에서 C까지의 이동을 두 방향으로 나누어 나타낸다. 여기에 다음 식들을 더하면 나머지 점의 위치도 정해진다.
먼저 각 기호가 실수인지 벡터인지 확인한다. 이어서 성분으로 한 번 풀어 계산하고, 마지막으로 그 결과가 점의 위치인지, 이동인지, 내적으로 얻은 수인지 해석한다. 이 순서를 따르면 길게 보이는 대칭이동 식도 내적 → 실수배 → 벡터의 뺄셈이라는 익숙한 연산으로 읽을 수 있다.