예제·유제 · Examples & Exercises
준선이 $x = 1$이고 초점이 $(3, 0)$인 원점을 중심으로 하는 쌍곡선에 대해 다음 물음에 답하시오.
- 쌍곡선의 이심률을 구하시오.
- 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.
Consider the hyperbola centered at the origin with directrix $x = 1$ and focus $(3, 0)$. Answer the following.
- Find the eccentricity of the hyperbola.
- 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 $$\frac{x^2}{3}-\frac{y^2}{6}=1.$$
주어진 이차곡선의 이심률, 꼭짓점, 초점, 준선을 모두 구하시오.
- $16x^2 + 25y^2 = 400$
- $x^2 - y^2 = 1$
- $x^2 - 6x - 12y + 9 = 0$
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.
Find the eccentricity, vertices, foci, and directrices of the given conic section.
- $16x^2 + 25y^2 = 400$
- $x^2 - y^2 = 1$
- $x^2 - 6x - 12y + 9 = 0$
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 $e=1$.
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.
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 $(0,\pm1)$.
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.
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 $2$, $$r=\frac{6}{2+3\cos\theta}.$$
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.
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 $x=5/2$.
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.
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
다음 부등식이 나타내는 영역을 좌표평면 상에 나타내시오.
- $(9x^2 + 4y^2 - 36)(4x^2 + 9y^2 - 16) \leq 0$
- $(9x^2 + 4y^2 - 36)(4x^2 + 9y^2 - 16) \gt 0$
Sketch on the coordinate plane the region represented by the following inequality.
- $(9x^2 + 4y^2 - 36)(4x^2 + 9y^2 - 16) \leq 0$
- $(9x^2 + 4y^2 - 36)(4x^2 + 9y^2 - 16) \gt 0$
행성은 별을 한 초점으로 하는 타원 궤도를 그리며 공전한다. 타원의 긴반지름의 길이가 $a$일 때 다음 물음에 답하시오.
- 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)
- 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.)
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.
- 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.
- 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.)
직원뿔을 밑면과 $\theta$의 각을 이루는 평면으로 자를 때 다음이 성립함을 보이시오.
(단, $\alpha$는 모선과 밑면이 이루는 각의 크기)
- $\theta = 0$이면 단면은 원이다.
- $0 \lt \theta \lt \alpha$이면 단면은 타원이다.
- $\theta = \alpha$이면 단면은 포물선이다.
- $\alpha \lt \theta \leq \pi/2$이면 단면은 쌍곡선이다.
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.)
- If $\theta = 0$, the cross-section is a circle.
- If $0 \lt \theta \lt \alpha$, the cross-section is an ellipse.
- If $\theta = \alpha$, the cross-section is a parabola.
- If $\alpha \lt \theta \leq \pi/2$, the cross-section is a hyperbola.