예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 쌍곡선의 이심률과 방정식
한국어

준선이 $x = 1$이고 초점이 $(3, 0)$인 원점을 중심으로 하는 쌍곡선에 대해 다음 물음에 답하시오.

  1. 쌍곡선의 이심률을 구하시오.
  2. 쌍곡선의 방정식을 구하시오.

풀이. 쌍곡선의 초점이 $x$축 위의 $(c,0)=(3,0)$에 있고, 원점을 중심으로 하는 쌍곡선의 준선은 $x=\dfrac{a}{e}=\dfrac{a^2}{c}$이므로 $c=3$이고 $$\frac{a^2}{c}=1 \implies a^2=c=3$$ 이다.

(1) 이심률은 $$e=\frac{c}{a}=\frac{3}{\sqrt3}=\sqrt3$$ 이다.

(2) $b^2=c^2-a^2=9-3=6$이므로 쌍곡선의 방정식은 $$\frac{x^2}{3}-\frac{y^2}{6}=1$$ 이다.

English

Consider the hyperbola centered at the origin with directrix $x = 1$ and focus $(3, 0)$. Answer the following.

  1. Find the eccentricity of the hyperbola.
  2. Find the equation of the hyperbola.

Solution. Since the hyperbola's focus lies on the $x$-axis at $(c,0)=(3,0)$ and, for a hyperbola centered at the origin, the directrix is $x=\dfrac{a}{e}=\dfrac{a^2}{c}$, we have $c=3$ and $$\frac{a^2}{c}=1 \implies a^2=c=3.$$

(1) The eccentricity is $$e=\frac{c}{a}=\frac{3}{\sqrt3}=\sqrt3.$$

(2) Since $b^2=c^2-a^2=9-3=6$, the equation of the hyperbola is $$\frac{x^2}{3}-\frac{y^2}{6}=1.$$

유제 01-1 이차곡선의 이심률·초점·준선
한국어

주어진 이차곡선의 이심률, 꼭짓점, 초점, 준선을 모두 구하시오.

  1. $16x^2 + 25y^2 = 400$
  2. $x^2 - y^2 = 1$
  3. $x^2 - 6x - 12y + 9 = 0$

풀이. (1) $16x^2+25y^2=400$의 양변을 $400$으로 나누면 $$\frac{x^2}{25}+\frac{y^2}{16}=1$$ 이므로 $a^2=25$, $b^2=16$이고 $a\gt b$이므로 장축은 $x$축 위에 있다. $a=5$, $b=4$이고 $c^2=a^2-b^2=9$에서 $c=3$이다. 따라서 이심률은 $e=c/a=3/5$이고, 꼭짓점은 $(\pm5,0)$, 초점은 $(\pm3,0)$, 준선은 $x=\pm a^2/c=\pm25/3$이다.

(2) $x^2-y^2=1$은 $a=b=1$인 쌍곡선이다. $c^2=a^2+b^2=2$에서 $c=\sqrt2$이므로, 이심률은 $e=c/a=\sqrt2$이고, 꼭짓점은 $(\pm1,0)$, 초점은 $(\pm\sqrt2,0)$, 준선은 $x=\pm a^2/c=\pm1/\sqrt2$이다.

(3) $x^2-6x-12y+9=0$의 좌변에서 $x$에 대해 완전제곱식을 만들면 $x^2-6x+9=12y$, 즉 $$(x-3)^2=12y$$ 이므로 이는 포물선이다. $(x-h)^2=4p(y-k)$ 꼴과 비교하면 $h=3$, $k=0$, $4p=12$에서 $p=3$이다. 따라서 꼭짓점은 $(3,0)$, 초점은 $(3,3)$, 준선은 $y=-3$이고, 포물선이므로 이심률은 $e=1$이다.

English

Find the eccentricity, vertices, foci, and directrices of the given conic section.

  1. $16x^2 + 25y^2 = 400$
  2. $x^2 - y^2 = 1$
  3. $x^2 - 6x - 12y + 9 = 0$

Solution. (1) Dividing both sides of $16x^2+25y^2=400$ by $400$ gives $$\frac{x^2}{25}+\frac{y^2}{16}=1,$$ so $a^2=25$, $b^2=16$, and since $a\gt b$ the major axis lies on the $x$-axis. Thus $a=5$, $b=4$, and $c^2=a^2-b^2=9$ gives $c=3$. Hence the eccentricity is $e=c/a=3/5$, the vertices are $(\pm5,0)$, the foci are $(\pm3,0)$, and the directrices are $x=\pm a^2/c=\pm25/3$.

(2) $x^2-y^2=1$ is a hyperbola with $a=b=1$. Since $c^2=a^2+b^2=2$, we get $c=\sqrt2$, so the eccentricity is $e=c/a=\sqrt2$, the vertices are $(\pm1,0)$, the foci are $(\pm\sqrt2,0)$, and the directrices are $x=\pm a^2/c=\pm1/\sqrt2$.

(3) Completing the square in $x$ for $x^2-6x-12y+9=0$ gives $x^2-6x+9=12y$, that is, $$(x-3)^2=12y,$$ which is a parabola. Comparing with $(x-h)^2=4p(y-k)$ gives $h=3$, $k=0$, and $4p=12$, so $p=3$. Hence the vertex is $(3,0)$, the focus is $(3,3)$, the directrix is $y=-3$, and, since it is a parabola, the eccentricity is $e=1$.

유제 01-2 타원의 초점 구하기
한국어

이심률이 $0.5$이고 장축의 양 끝점이 $(0, \pm 2)$인 타원의 초점의 좌표를 구하시오.

풀이. 장축의 양 끝점이 $(0,\pm2)$이므로 장축은 $y$축 위에 있고 긴반지름은 $a=2$이다. 이심률이 $e=0.5$이므로 $$c=ae=2\times0.5=1$$ 이다. 따라서 초점의 좌표는 $(0,\pm1)$이다.

English

Find the coordinates of the foci of the ellipse with eccentricity $0.5$ whose major axis has endpoints $(0, \pm 2)$.

Solution. Since the major axis has endpoints $(0,\pm2)$, it lies on the $y$-axis and the semi-major axis is $a=2$. Since the eccentricity is $e=0.5$, $$c=ae=2\times0.5=1.$$ Hence the coordinates of the foci are $(0,\pm1)$.

예제 02 쌍곡선의 극방정식
한국어

이심률이 $3/2$이고 준선이 $x = 2$인 쌍곡선의 방정식을 극좌표계에서 나타내시오.

풀이. 극을 초점으로 하고 초점에서 준선 $x=2$까지의 거리가 $d=2$인 이차곡선의 극방정식은 $$r=\frac{ed}{1+e\cos\theta}$$ 이다. $e=3/2$, $d=2$를 대입하면 $$r=\frac{(3/2)\cdot2}{1+(3/2)\cos\theta}=\frac{3}{1+(3/2)\cos\theta}$$ 이고, 분자와 분모에 $2$를 곱하면 $$r=\frac{6}{2+3\cos\theta}$$ 이다.

English

Express the equation of the hyperbola with eccentricity $3/2$ and directrix $x = 2$ in polar coordinates.

Solution. A conic section with focus at the pole and directrix $x=d$ at distance $d=2$ from the focus has polar equation $$r=\frac{ed}{1+e\cos\theta}.$$ Substituting $e=3/2$ and $d=2$, $$r=\frac{(3/2)\cdot2}{1+(3/2)\cos\theta}=\frac{3}{1+(3/2)\cos\theta},$$ and multiplying numerator and denominator by $2$, $$r=\frac{6}{2+3\cos\theta}.$$

유제 02-1 극방정식에서 준선 구하기
한국어

이차곡선 $r = \dfrac{25}{10 + 10\cos\theta}$의 준선을 구하시오.

풀이. $r=\dfrac{25}{10+10\cos\theta}$의 분자와 분모를 $10$으로 나누면 $$r=\frac{5/2}{1+\cos\theta}$$ 이다. 이는 $r=\dfrac{ed}{1+e\cos\theta}$ 꼴과 비교할 때 $e=1$, $ed=5/2$이므로 $d=5/2$이다. $e=1$이므로 이 이차곡선은 포물선이고, 준선은 $x=5/2$이다.

English

Find the directrix of the conic section $r = \dfrac{25}{10 + 10\cos\theta}$.

Solution. Dividing the numerator and denominator of $r=\dfrac{25}{10+10\cos\theta}$ by $10$ gives $$r=\frac{5/2}{1+\cos\theta}.$$ Comparing this with $r=\dfrac{ed}{1+e\cos\theta}$ gives $e=1$ and $ed=5/2$, so $d=5/2$. Since $e=1$, this conic section is a parabola with directrix $x=5/2$.

유제 02-2 극방정식 이차곡선 그래프
한국어

이차곡선 $r = \dfrac{4}{2 - \sin\theta}$의 그래프를 그리시오. (단, 중심, 꼭짓점, 초점, 준선을 모두 표기할 것)

풀이. $r=\dfrac{4}{2-\sin\theta}$의 분자와 분모를 $2$로 나누면 $$r=\frac{2}{1-\frac12\sin\theta}$$ 이다. 이를 $r=\dfrac{ed}{1-e\sin\theta}$ 꼴과 비교하면 $e=1/2$, $ed=2$이므로 $d=4$이다. $e=1/2 \lt 1$이므로 이 곡선은 타원이고, 극(원점)이 한 초점이며 그 초점에 대응하는 준선은 $y=-4$이다.

장축이 $y$축 위에 있으므로 $\theta=\pi/2$, $\theta=3\pi/2$에서 꼭짓점을 얻는다. $$\theta=\frac\pi2:\ r=\frac{2}{1-\frac12}=4\ \Rightarrow\ (0,4), \qquad \theta=\frac{3\pi}2:\ r=\frac{2}{1+\frac12}=\frac43\ \Rightarrow\ \left(0,-\frac43\right)$$ 이다. 두 꼭짓점의 중점이 중심이므로 중심은 $$\left(0,\ \frac{4+(-4/3)}2\right)=\left(0,\frac43\right)$$ 이고, 긴반지름은 $a=4-\dfrac43=\dfrac83$이다.

초점까지의 거리는 $$c=ea=\frac12\cdot\frac83=\frac43$$ 이므로 초점은 중심 $(0,4/3)$에서 $y$축을 따라 $\pm4/3$ 이동한 점, 즉 $$(0,0), \qquad \left(0,\frac83\right)$$ 이다 (원점이 앞서 구한 극방정식의 초점과 일치함을 확인할 수 있다). 짧은반지름은 $$b^2=a^2-c^2=\left(\frac83\right)^2-\left(\frac43\right)^2=\frac{64}9-\frac{16}9=\frac{48}9=\frac{16}3$$ 에서 $b=4/\sqrt3=4\sqrt3/3$이다. (참고로 초점 $(0,8/3)$에 대응하는 준선은 $y=\dfrac43+\dfrac{16}3=\dfrac{20}3$이다.)

따라서 이 이차곡선은 중심 $(0,4/3)$, 꼭짓점 $(0,4)$와 $(0,-4/3)$, 초점 $(0,0)$과 $(0,8/3)$을 지나며 장축이 $y$축과 평행한 타원이다. 방정식으로 쓰면 $$\frac{x^2}{16/3}+\frac{(y-4/3)^2}{64/9}=1$$ 이며, 그래프를 그릴 때는 중심 $(0,4/3)$을 표시하고 위아래 꼭짓점 $(0,4)$, $(0,-4/3)$을 지나는 세로로 긴 타원을 그린 뒤, 두 초점 $(0,0)$, $(0,8/3)$과 원점 쪽 준선 $y=-4$(가로 직선)를 함께 표기한다.

English

Sketch the graph of the conic section $r = \dfrac{4}{2 - \sin\theta}$. (Label the center, vertices, foci, and directrix.)

Solution. Dividing the numerator and denominator of $r=\dfrac{4}{2-\sin\theta}$ by $2$ gives $$r=\frac{2}{1-\frac12\sin\theta}.$$ Comparing this with $r=\dfrac{ed}{1-e\sin\theta}$ gives $e=1/2$ and $ed=2$, so $d=4$. Since $e=1/2 \lt 1$, this curve is an ellipse, with the pole (origin) as one focus, and the directrix corresponding to that focus is $y=-4$.

Since the major axis lies on the $y$-axis, the vertices occur at $\theta=\pi/2$ and $\theta=3\pi/2$: $$\theta=\frac\pi2:\ r=\frac{2}{1-\frac12}=4\ \Rightarrow\ (0,4), \qquad \theta=\frac{3\pi}2:\ r=\frac{2}{1+\frac12}=\frac43\ \Rightarrow\ \left(0,-\frac43\right).$$ The center is the midpoint of the two vertices, $$\left(0,\ \frac{4+(-4/3)}2\right)=\left(0,\frac43\right),$$ and the semi-major axis is $a=4-\dfrac43=\dfrac83$.

The distance to the foci is $$c=ea=\frac12\cdot\frac83=\frac43,$$ so the foci are the points obtained by moving $\pm4/3$ from the center $(0,4/3)$ along the $y$-axis, namely $$(0,0), \qquad \left(0,\frac83\right)$$ (note that the origin coincides with the focus found from the polar equation above). The semi-minor axis satisfies $$b^2=a^2-c^2=\left(\frac83\right)^2-\left(\frac43\right)^2=\frac{64}9-\frac{16}9=\frac{48}9=\frac{16}3,$$ so $b=4/\sqrt3=4\sqrt3/3$. (For reference, the directrix corresponding to the focus $(0,8/3)$ is $y=\dfrac43+\dfrac{16}3=\dfrac{20}3$.)

Hence this conic section is an ellipse with center $(0,4/3)$, vertices $(0,4)$ and $(0,-4/3)$, foci $(0,0)$ and $(0,8/3)$, and major axis parallel to the $y$-axis. Its equation is $$\frac{x^2}{16/3}+\frac{(y-4/3)^2}{64/9}=1,$$ and to sketch it, mark the center $(0,4/3)$, draw a tall ellipse through the vertices $(0,4)$ and $(0,-4/3)$, and label the two foci $(0,0)$, $(0,8/3)$ together with the directrix $y=-4$ (a horizontal line) near the origin-side focus.

문제 · Problems

문제 01 부등식이 나타내는 영역
한국어

다음 부등식이 나타내는 영역을 좌표평면 상에 나타내시오.

  1. $(9x^2 + 4y^2 - 36)(4x^2 + 9y^2 - 16) \leq 0$
  2. $(9x^2 + 4y^2 - 36)(4x^2 + 9y^2 - 16) \gt 0$
English

Sketch on the coordinate plane the region represented by the following inequality.

  1. $(9x^2 + 4y^2 - 36)(4x^2 + 9y^2 - 16) \leq 0$
  2. $(9x^2 + 4y^2 - 36)(4x^2 + 9y^2 - 16) \gt 0$
문제 02 행성의 타원 궤도
한국어

행성은 별을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 그리며 공전한다. 타원의 긴반지름의 길이가 $a$일 때 다음 물음에 답하시오.

  1. 행성이 별과 가장 가까울 때 그 거리는 $r = a(1-e)$이고 가장 멀 때 그 거리는 $r = a(1+e)$임을 보이시오. (단, $e$는 타원의 이심률)
  2. 지구가 태양 주위를 도는 타원 궤도의 긴반지름의 길이는 1AU이고 이심률은 0.0167임이 알려져 있다. 극좌표로 그 궤도를 나타내시오. (단, AU는 천문단위로 약 1억 5천만 km이다.)
English

A planet orbits a star along an elliptical orbit with the star at one focus. Let $a$ be the length of the semi-major axis of the ellipse. Answer the following.

  1. Show that the planet's distance from the star is $r = a(1-e)$ at its closest approach and $r = a(1+e)$ at its farthest, where $e$ is the eccentricity of the ellipse.
  2. It is known that Earth's elliptical orbit around the Sun has a semi-major axis of length 1 AU and eccentricity $0.0167$. Express this orbit in polar coordinates. (Here, AU is the astronomical unit, 1 AU ≈ 150 million km.)
문제 03 원뿔의 단면과 당들랭의 구
한국어

직원뿔을 밑면과 $\theta$의 각을 이루는 평면으로 자를 때 다음이 성립함을 보이시오.

(단, $\alpha$는 모선과 밑면이 이루는 각의 크기)

  1. $\theta = 0$이면 단면은 원이다.
  2. $0 \lt \theta \lt \alpha$이면 단면은 타원이다.
  3. $\theta = \alpha$이면 단면은 포물선이다.
  4. $\alpha \lt \theta \leq \pi/2$이면 단면은 쌍곡선이다.
(Hint. (2)의 경우, 단면과 원뿔에 내접하는 두 개의 구를 생각하자. 이를 당들랭의 구(Dandelin sphere)라 한다. 구와 단면의 교점이 타원의 초점이 됨을 보이시오.)
English

Let a right circular cone be cut by a plane making an angle $\theta$ with the base. Show that the following hold.

(Here, $\alpha$ is the angle between the generating line and the base.)

  1. If $\theta = 0$, the cross-section is a circle.
  2. If $0 \lt \theta \lt \alpha$, the cross-section is an ellipse.
  3. If $\theta = \alpha$, the cross-section is a parabola.
  4. If $\alpha \lt \theta \leq \pi/2$, the cross-section is a hyperbola.
(Hint. For case (2), consider two spheres inscribed in the cone and tangent to the cutting plane. These are called Dandelin spheres. Show that the points where the spheres meet the plane are the foci of the ellipse.)