📝 수능분석5분 읽기

2024학년도 수학 46번 문항 분석

2024학년도 수학 46번 문항 분석

GSEEK AI조회 15
2024학년도 수학 46번 문항 분석
정답150
배점4점
난이도high
정답률15.7% (오답률 84.3%, EBSi 기준 전체 3위)
단원기하 > 이차곡선 > 쌍곡선
핵심 개념[쌍곡선의 정의, 지름에 대한 원주각, 내분점, 코사인법칙, 삼각형의 넓이]
예상 소요시간8분
선택과목기하
문항유형주관식
성취기준"[12기하01-04] 쌍곡선의 뜻을 알고, 쌍곡선의 방정식을 구할 수 있다"

출제 의도

쌍곡선의 정의(∣PF−PF′∣=2a\displaystyle |PF - PF'| = 2a)와 원의 성질(지름에 대한 원주각 = 직각)을 종합하여, 여러 보조 점의 거리를 단계적으로 결정하고 삼각형의 넓이를 구하는 종합적 추론 능력을 평가해요.


조건 분석

조건수학적 의미풀이에서의 역할
두 초점 F(c,0)\displaystyle \mathrm{F}(c,0), F′(−c,0)\displaystyle \mathrm{F'}(-c,0)쌍곡선의 초점이 x\displaystyle x축 위에 대칭좌표 설정의 기준, FF′‾=2c\displaystyle \overline{\mathrm{FF'}} = 2c 확보
주축의 길이가 62a=6\displaystyle 2a = 6, 즉 a=3\displaystyle a = 3쌍곡선 정의 적용 시 ∥PF−PF′∥=6\displaystyle \|PF - PF'\| = 6
선분 FF′\displaystyle \mathrm{FF'}을 지름으로 하는 원중심이 원점, 반지름이 c\displaystyle c인 원핵심 조건 — 원 위의 점 P에서 ∠F′PF=π2\displaystyle \angle \mathrm{F'PF} = \dfrac{\pi}{2}
P는 제1사분면에서 만나는 점P\displaystyle P의 x\displaystyle x좌표, y\displaystyle y좌표 모두 양수PF−PF′\displaystyle PF - PF'의 부호 결정 → F′P‾−FP‾=6\displaystyle \overline{\mathrm{F'P}} - \overline{\mathrm{FP}} = 6
Q는 선분 F′P\displaystyle \mathrm{F'P} 위의 쌍곡선 위 점 (P가 아닌)Q도 쌍곡선 위의 점FQ‾−F′Q‾=6\displaystyle \overline{\mathrm{FQ}} - \overline{\mathrm{F'Q}} = 6 또는 반대 부호 적용
Q가 F′P\displaystyle \mathrm{F'P}를 1:2\displaystyle 1:2로 내분F′Q‾:QP‾=1:2\displaystyle \overline{\mathrm{F'Q}} : \overline{\mathrm{QP}} = 1 : 2거리 관계를 k\displaystyle k 하나로 표현 가능
R은 선분 FQ\displaystyle \mathrm{FQ} 위의 쌍곡선 위 점 (Q가 아닌)R도 쌍곡선 위의 점F′R‾\displaystyle \overline{\mathrm{F'R}}을 코사인법칙으로 결정

조건 간 관계: "지름 원 + 제1사분면" 조건이 ∠F′PF=90°\displaystyle \angle \mathrm{F'PF} = 90°를 만들어 주고, 이것이 "내분 조건"과 결합하여 k\displaystyle k값을 유일하게 결정해요. 하나라도 빠지면 미지수가 남아요.


혹시 지금 당신의 마음은 어떤가요?

당신을 위한 맞춤형 이야기를 더 준비했어요.

정석 풀이

Step 1. 변수 설정 — 내분 조건 활용

Q가 선분 F′P\displaystyle \mathrm{F'P}를 1:2\displaystyle 1:2로 내분하므로, F′Q‾=k\displaystyle \overline{\mathrm{F'Q}} = k (k>0)\displaystyle (k > 0)로 놓으면:

QP‾=2k,F′P‾=3k\displaystyle \overline{\mathrm{QP}} = 2k, \quad \overline{\mathrm{F'P}} = 3k

내분 비율 1:2\displaystyle 1:2는 F'에서 P 방향으로 1:2\displaystyle 1:2라는 뜻이에요. F'Q가 짧은 쪽이에요.

Step 2. 쌍곡선 정의 적용

P와 Q는 모두 쌍곡선 위의 점이고, 주축의 길이가 2a=6\displaystyle 2a = 6이에요.

점 P (제1사분면, F'에서 더 멂):

F′P‾−FP‾=6  ⟹  3k−FP‾=6\displaystyle \overline{\mathrm{F'P}} - \overline{\mathrm{FP}} = 6 \implies 3k - \overline{\mathrm{FP}} = 6

∴FP‾=3k−6\displaystyle \therefore \overline{\mathrm{FP}} = 3k - 6

FP‾>0\displaystyle \overline{\mathrm{FP}} > 0이려면 k>2\displaystyle k > 2여야 해요.

점 Q (F'P 위에서 F'에 가까운 쪽, F에서 더 멂):

FQ‾−F′Q‾=6  ⟹  FQ‾=k+6\displaystyle \overline{\mathrm{FQ}} - \overline{\mathrm{F'Q}} = 6 \implies \overline{\mathrm{FQ}} = k + 6

Step 3. 직각 조건으로 k\displaystyle k 결정

선분 FF′\displaystyle \mathrm{FF'}을 지름으로 하는 원 위에 점 P가 있으므로, 지름에 대한 원주각 정리에 의해:

∠F′PF=π2\displaystyle \angle \mathrm{F'PF} = \frac{\pi}{2}

직각삼각형 F′PF\displaystyle \mathrm{F'PF}에서 ∠P=90°\displaystyle \angle P = 90°이므로, 삼각형 PQF\displaystyle \mathrm{PQF}에 주목해요.

F′,Q,P\displaystyle \mathrm{F'}, \mathrm{Q}, \mathrm{P}가 일직선이고, ∠F′PF=90°\displaystyle \angle \mathrm{F'PF} = 90°이므로 ∠QPF=90°\displaystyle \angle \mathrm{QPF} = 90°

직각삼각형 QPF\displaystyle \mathrm{QPF}에서 피타고라스 정리를 적용하면:

QP‾2+FP‾2=FQ‾2\displaystyle \overline{\mathrm{QP}}^2 + \overline{\mathrm{FP}}^2 = \overline{\mathrm{FQ}}^2

(2k)2+(3k−6)2=(k+6)2\displaystyle (2k)^2 + (3k-6)^2 = (k+6)^2

4k2+9k2−36k+36=k2+12k+36\displaystyle 4k^2 + 9k^2 - 36k + 36 = k^2 + 12k + 36

12k2−48k=0\displaystyle 12k^2 - 48k = 0

12k(k−4)=0\displaystyle 12k(k - 4) = 0

k>0\displaystyle k > 0이므로 k=4\displaystyle \boxed{k = 4}

Step 4. 각 선분의 길이 확정

F′Q‾=4,QP‾=8,F′P‾=12\displaystyle \overline{\mathrm{F'Q}} = 4, \quad \overline{\mathrm{QP}} = 8, \quad \overline{\mathrm{F'P}} = 12

FP‾=3(4)−6=6,FQ‾=4+6=10\displaystyle \overline{\mathrm{FP}} = 3(4) - 6 = 6, \quad \overline{\mathrm{FQ}} = 4 + 6 = 10

Step 5. 각도 계산 — 보각 관계 활용

∠F′QR=θ\displaystyle \angle \mathrm{F'QR} = \theta라 하면, ∠PQF=π−θ\displaystyle \angle \mathrm{PQF} = \pi - \theta (일직선 위의 보각)

직각삼각형 QPF\displaystyle \mathrm{QPF}에서:

cos⁡(π−θ)=QP‾FQ‾=810=45\displaystyle \cos(\pi - \theta) = \frac{\overline{\mathrm{QP}}}{\overline{\mathrm{FQ}}} = \frac{8}{10} = \frac{4}{5}

∴cos⁡θ=−45,sin⁡θ=35\displaystyle \therefore \cos\theta = -\frac{4}{5}, \quad \sin\theta = \frac{3}{5}

Step 6. QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}} 결정 — 코사인법칙

QR‾=t\displaystyle \overline{\mathrm{QR}} = t (t>0)\displaystyle (t > 0)로 놓으면 FR‾=10−t\displaystyle \overline{\mathrm{FR}} = 10 - t

점 R도 쌍곡선 위의 점이므로:

F′R‾−FR‾=±6\displaystyle \overline{\mathrm{F'R}} - \overline{\mathrm{FR}} = \pm 6

R은 쌍곡선의 다른 쪽 가지(F' 쪽)에 있으므로:

F′R‾=FR‾−6=(10−t)−6=4−t또는\displaystyle \overline{\mathrm{F'R}} = \overline{\mathrm{FR}} - 6 = (10 - t) - 6 = 4 - t \quad \text{또는}

F′R‾=FR‾+6=16−t\displaystyle \overline{\mathrm{F'R}} = \overline{\mathrm{FR}} + 6 = 16 - t

F′R‾>0\displaystyle \overline{\mathrm{F'R}} > 0이어야 하므로, F′R‾=16−t\displaystyle \overline{\mathrm{F'R}} = 16 - t를 채택해요.

삼각형 QF′R\displaystyle \mathrm{QF'R}에서 ∠F′QR=θ\displaystyle \angle \mathrm{F'QR} = \theta이고, 코사인법칙을 적용하면:

F′R‾2=F′Q‾2+QR‾2−2⋅F′Q‾⋅QR‾⋅cos⁡θ\displaystyle \overline{\mathrm{F'R}}^2 = \overline{\mathrm{F'Q}}^2 + \overline{\mathrm{QR}}^2 - 2 \cdot \overline{\mathrm{F'Q}} \cdot \overline{\mathrm{QR}} \cdot \cos\theta

(16−t)2=42+t2−2⋅4⋅t⋅(−45)\displaystyle (16-t)^2 = 4^2 + t^2 - 2 \cdot 4 \cdot t \cdot \left(-\frac{4}{5}\right)

256−32t+t2=16+t2+32t5\displaystyle 256 - 32t + t^2 = 16 + t^2 + \frac{32t}{5}

240−32t=32t5\displaystyle 240 - 32t = \frac{32t}{5}

240=32t+32t5=192t5\displaystyle 240 = 32t + \frac{32t}{5} = \frac{192t}{5}

∴t=240×5192=1200192=254\displaystyle \therefore t = \frac{240 \times 5}{192} = \frac{1200}{192} = \frac{25}{4}

Step 7. 삼각형 넓이 계산

S=12⋅F′Q‾⋅QR‾⋅sin⁡θ=12×4×254×35=152\displaystyle S = \frac{1}{2} \cdot \overline{\mathrm{F'Q}} \cdot \overline{\mathrm{QR}} \cdot \sin\theta = \frac{1}{2} \times 4 \times \frac{25}{4} \times \frac{3}{5} = \frac{15}{2}

∴20S=20×152=150\displaystyle \therefore 20S = 20 \times \frac{15}{2} = \boxed{150}


별해 — 좌표 설정법

쌍곡선의 방정식을 x29−y2c2−9=1\displaystyle \dfrac{x^2}{9} - \dfrac{y^2}{c^2 - 9} = 1로 놓고, 원 x2+y2=c2\displaystyle x^2 + y^2 = c^2과의 교점 P를 직접 구하는 방법이에요.

  1. 원과 쌍곡선의 연립으로 P의 좌표를 c\displaystyle c에 대해 표현
  2. 직선 F′P\displaystyle \mathrm{F'P} 위에서 1:2\displaystyle 1:2 내분점 Q의 좌표를 구함
  3. Q를 쌍곡선 방정식에 대입하여 c\displaystyle c 결정
  4. 이후 R의 좌표를 구하고 넓이 계산

장단점: 좌표를 직접 다루므로 논리적으로 명확하지만, c\displaystyle c에 대한 4차 방정식이 등장해 계산량이 정석 풀이보다 훨씬 많아요. 시험장에서는 비추천이에요.


오답 분석

주관식이므로 선지별 분석 대신, 자주 나오는 오답과 그 원인을 정리했어요.

흔한 오답실수 원인
답을 구하지 못함∠F′PF=90°\displaystyle \angle \mathrm{F'PF} = 90° (지름에 대한 원주각)를 떠올리지 못해 풀이의 돌파구를 찾지 못한 경우예요
k=2\displaystyle k = 2 등 잘못된 값내분 비율을 반대로 적용 (F′Q:QP=2:1\displaystyle \mathrm{F'Q} : \mathrm{QP} = 2 : 1)하면 k\displaystyle k값이 달라져요
20S=120\displaystyle 20S = 120cos⁡θ\displaystyle \cos\theta와 cos⁡(π−θ)\displaystyle \cos(\pi - \theta)의 부호 처리를 잘못하면 t\displaystyle t값이 틀어져요. cos⁡(π−θ)=−cos⁡θ\displaystyle \cos(\pi - \theta) = -\cos\theta임을 꼭 확인하세요
20S=300\displaystyle 20S = 300쌍곡선 정의에서 FP‾=3k+6\displaystyle \overline{\mathrm{FP}} = 3k + 6으로 부호를 반대로 잡으면 거리가 2배로 커져요. 제1사분면에서 P는 F'에서 더 멀어요
20S=75\displaystyle 20S = 75F′R‾\displaystyle \overline{\mathrm{F'R}} 계산 시 F′R‾=4−t\displaystyle \overline{\mathrm{F'R}} = 4 - t (음수 가능)를 택하면 넓이가 절반이 돼요

5대 함정 정리

  1. 쌍곡선 정의 부호 혼동: ∣PF−PF′∣=2a\displaystyle |PF - PF'| = 2a에서 P가 어느 꼭짓점 쪽에 있느냐에 따라 부호가 달라져요. 제1사분면이면 F′P‾>FP‾\displaystyle \overline{\mathrm{F'P}} > \overline{\mathrm{FP}}예요.

  2. 원주각 정리 미적용: FF′\displaystyle \mathrm{FF'}을 지름으로 하는 원 위의 점 P에서 ∠F′PF=90°\displaystyle \angle \mathrm{F'PF} = 90° — 이걸 놓치면 직각삼각형 조건을 쓸 수 없어요.

  3. 내분 비율 방향 혼동: "F′P\displaystyle \mathrm{F'P}를 1:2\displaystyle 1:2로 내분" → F′Q:QP=1:2\displaystyle \mathrm{F'Q} : \mathrm{QP} = 1 : 2. 방향을 반대로 잡으면 전체 풀이가 무너져요.

  4. 보각의 코사인 부호: cos⁡(π−θ)=−cos⁡θ\displaystyle \cos(\pi - \theta) = -\cos\theta. 부호 하나 틀리면 코사인법칙에서 t\displaystyle t값이 완전히 달라져요.

  5. R의 위치 판단: R이 쌍곡선의 어느 가지에 있는지에 따라 F′R‾\displaystyle \overline{\mathrm{F'R}}이 16−t\displaystyle 16 - t 또는 4−t\displaystyle 4 - t가 돼요. 부호와 양수 조건을 반드시 확인하세요.


유사 기출

시험번호유사점난이도
2025학년도 수능 (2024.11)기하 29번포물선+쌍곡선 복합, 초점 거리 활용오답률 88.5%
2025학년도 수능 (2024.11)기하 30번기하 고난도 이차곡선 종합정답률 7%
2024학년도 수능 (2023.11)기하 29번쌍곡선 정의 활용, 초점과의 거리 관계오답률 82.2%
2022년 6월 모의평가기하 30번쌍곡선 초점 삼각형 넓이 문제high

핵심 정리

  • 쌍곡선의 정의: ∣PF−PF′∣=2a\displaystyle |PF - PF'| = 2a. 점이 어느 가지에 있는지에 따라 부호가 결정돼요. 항상 "어느 초점에서 더 먼가?"를 먼저 판단하세요.
  • 지름에 대한 원주각 = 직각: 원 위의 점에서 지름의 양 끝을 보는 각은 항상 90°\displaystyle 90°예요. 쌍곡선+원 복합 문제에서 가장 먼저 확인해야 할 성질이에요.
  • 코사인법칙 부호 주의: 보각 관계 cos⁡(π−θ)=−cos⁡θ\displaystyle \cos(\pi - \theta) = -\cos\theta를 정확히 처리하는 것이 이 문항의 승부처예요.

∣PF−PF′∣=2a,c2=a2+b2−2abcos⁡C,S=12absin⁡C\displaystyle |PF - PF'| = 2a, \qquad c^2 = a^2 + b^2 - 2ab\cos C, \qquad S = \tfrac{1}{2}ab\sin C


출처: 서울특별시교육청 (2024학년도 3월 전국연합학력평가)

#수능분석#math
공유

관련 글

댓글

댓글은 관리자 승인 후 공개됩니다. 닉네임과 비밀번호를 입력해주세요. 비밀번호는 수정/삭제 시 필요합니다 (10자 이내).

불러오는 중...

0/500