이차곡선

원뿔을 평면으로 자르면 자르는 각도에 따라 서로 다른 곡선이 나타난다. 이렇게 얻어지는 포물선, 타원, 쌍곡선을 묶어 이차곡선이라고 한다. 이 단원에서는 세 곡선을 거리에 대한 조건으로 정의하고, 그 조건을 좌표평면 위에서 방정식으로 옮긴 뒤, 곡선에 접하는 직선을 구하는 방법까지 다룬다.

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개념 정리

포물선은 한 점인 초점과 그 점을 지나지 않는 한 직선인 준선에서 같은 거리에 있는 점들이 그리는 곡선이다. 초점이 (p, 0)(p,\ 0)이고 준선이 x=−px=-p인 포물선의 방정식은 y2=4pxy^2=4px다. 여기서 주의할 점이 있다. 이 곡선은 좌우로 열려 있어 하나의 xx에 두 개의 yy가 대응하므로 함수가 아니다. 중학교에서 만난 이차함수의 그래프는 축이 yy축과 평행한 포물선에 해당한다.
타원은 두 초점에서의 거리의 합이 일정한 점들의 자취다. 그 일정한 값이 장축의 길이와 같다는 점이 중요하다. 초점이 xx축 위에 있는 타원의 방정식은 x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1(a>b>0a>b>0)이고, 초점은 (±c, 0)(\pm c,\ 0)이며 c2=a2−b2c^2=a^2-b^2이다. 예를 들어 x225+y29=1\frac{x^2}{25}+\frac{y^2}{9}=1이면 c2=25−9=16c^2=25-9=16이므로 초점은 (±4, 0)(\pm4,\ 0)이고 장축의 길이는 1010이다. 두 분모가 다른 표준형 타원에서는 분모가 큰 쪽의 축 위에 초점이 있다는 점을 먼저 확인해야 한다.
쌍곡선은 두 초점에서의 거리의 차의 절댓값이 일정한 점들의 자취이고, 그 값이 주축의 길이와 같다. 방정식은 x2a2−y2b2=1\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1이며 초점은 (±c, 0)(\pm c,\ 0), 이때 c2=a2+b2c^2=a^2+b^2이다. 타원에서는 차였던 관계가 여기서는 합이 된다. x29−y216=1\frac{x^2}{9}-\frac{y^2}{16}=1이라면 c2=9+16=25c^2=9+16=25이므로 초점은 (±5, 0)(\pm5,\ 0)이다. 쌍곡선에는 점근선이 있어 곡선이 직선 y=±baxy=\pm\frac{b}{a}x에 한없이 가까워지지만 만나지는 않는다. 개형을 그릴 때 점근선을 먼저 그리면 편하다.
식만 보고 어떤 곡선인지 알아보는 연습도 필요하다. 표준형으로 정리된 식에서 xx와 yy 가운데 한쪽만 제곱으로 나타나면 포물선이고, 둘 다 제곱이면서 두 항의 계수의 부호가 같으면 타원, 서로 다르면 쌍곡선이다. 곡선의 종류를 먼저 정하고 나면 초점과 축을 찾는 방법이 따라온다.
이제 접선이다. 이차곡선에 직선의 식을 대입해 얻은 이차방정식이 중근을 갖는 경우, 곧 판별식이 00이 되는 조건을 이용해 접선을 구한다. 예를 들어 포물선 y2=4xy^2=4x에 접하고 기울기가 11인 직선을 y=x+ky=x+k로 두면, 대입해 정리한 y2−4y+4k=0y^2-4y+4k=0의 판별식이 00이어야 하므로 16−16k=016-16k=0에서 k=1k=1이고 접선은 y=x+1y=x+1이다. 접점이 주어졌는지, 기울기가 주어졌는지, 곡선 밖의 한 점을 지난다는 조건이 주어졌는지에 따라 무엇을 미지수로 둘지가 달라지므로 그것부터 정하고 시작해야 한다.
이차곡선은 대수와 기하를 잇는 대표적인 예다. 거리에 대한 조건을 식으로 옮기는 이 과정은 다음 단원에서 공간좌표를 다룰 때, 그리고 벡터로 도형을 나타낼 때 같은 방식으로 이어진다. 미적분Ⅱ를 배우면 음함수의 미분법으로 같은 접선을 다른 방법으로 구할 수도 있다.

자주 하는 착각

포물선

  1. 포물선을 이차함수의 그래프와 같은 것으로만 본다. 중학교와 공통수학에서 포물선을 위아래로 열린 그래프로만 만났기 때문이다. 이 단원의 포물선은 한 점과 한 직선에서 같은 거리에 있는 점들이 그리는 곡선으로 정의된다. 그래서 좌우로 열린 포물선도 있으며 이때는 하나의 x에 두 개의 y가 대응해 함수가 아니다.
  2. 포물선의 방정식에서 초점과 준선의 위치를 뒤바꾼다. 식에 들어 있는 수를 좌표로 곧바로 읽기 때문이다. 초점이 x축 위에 있는 표준형에서 초점은 축 위의 한 점이고 준선은 그 반대쪽에 축과 수직으로 놓인 직선이다. 초점의 좌표와 준선의 식에서 부호가 반대라는 점을 함께 기억해야 한다.

타원

  1. 타원의 정의에서 두 초점까지의 거리의 합이 무엇과 같은지 놓친다. 정의를 거리의 합이 일정하다는 문장으로만 외우기 때문이다. 그 일정한 값은 장축의 길이와 같다. 문제에서 거리의 합이 주어지면 곧바로 장축의 길이를 알 수 있다.
  2. 타원과 쌍곡선에서 세 값 사이의 관계식을 뒤바꾼다. 두 곡선의 식이 부호만 다르게 생겼기 때문이다. 표준형에서 초점까지의 거리의 제곱은 타원에서는 두 분모의 차와 같고, 쌍곡선에서는 두 분모의 합과 같다. 어느 쪽이 차이고 어느 쪽이 합인지를 정의에서부터 끌어내야 헷갈리지 않는다.
  3. 초점이 어느 축 위에 있는지 판단하지 않고 계산한다. 표준형을 하나만 외웠기 때문이다. 표준형으로 나타낸 타원에서 두 분모가 다르면 분모가 큰 쪽의 축 위에 초점이 있고, 표준형 쌍곡선에서는 계수가 양수인 제곱항에 대응하는 축 위에 초점이 있다. 축을 먼저 정한 뒤에 값을 구해야 한다.

쌍곡선

  1. 점근선을 쌍곡선이 어딘가에서 만나는 직선으로 본다. 그래프에서 두 선이 거의 붙어 보이기 때문이다. 점근선은 곡선이 한없이 가까워지지만 만나지는 않는 직선이다. 쌍곡선의 개형을 그릴 때 먼저 그려 두면 곡선의 벌어진 정도를 잡을 수 있다.
  2. 쌍곡선의 정의에서 두 초점까지의 거리의 차에 절댓값이 붙는다는 점을 놓친다. 한쪽 곡선만 보고 정의를 떠올리기 때문이다. 쌍곡선은 두 초점까지의 거리의 차의 절댓값이 일정한 점들의 자취이고, 그 일정한 값이 주축의 길이와 같다. 절댓값이 있어야 두 곡선이 모두 설명된다.

접선

  1. 이차곡선의 접선을 구할 때 판별식을 쓰지 않고 곡선의 미분부터 떠올린다. 함수의 접선에서 미분계수를 쓰던 경험 때문이다. 이 단원에서는 직선의 식을 곡선의 식에 대입해 얻은 이차방정식의 판별식이 0이 되는 조건으로 접선을 구한다. 접점이 주어진 경우와 기울기가 주어진 경우 모두 이 방법으로 풀 수 있다.
  2. 접선 문제에서 무엇이 주어졌는지 가르지 않고 식을 세운다. 접선이라는 말만 보고 절차를 시작하기 때문이다. 접점이 주어졌는지, 기울기가 주어졌는지, 곡선 밖의 점을 지난다는 조건이 주어졌는지에 따라 미지수로 둘 것이 달라진다. 무엇을 미지수로 둘지 정하는 것이 첫 단계다.

곡선의 판별

  1. 이차곡선의 방정식을 보고 어떤 곡선인지 판단하지 못한다. 세 곡선을 따로 배우고 식을 각각 외우기 때문이다. 표준형으로 정리된 식에서 x와 y 가운데 한쪽만 제곱으로 나타나면 포물선이고, 둘 다 제곱이면서 두 항의 계수의 부호가 같으면 타원, 서로 다르면 쌍곡선이다. 식에서 곡선을 알아보는 연습이 그래프를 그리는 출발점이다.

이런 오개념, 나도 갖고 있을까?

포물선은 이차함수의 그래프와 같은 것이므로 항상 위아래로 열린 곡선이다.정답 보기

X (흔한 오개념이에요)

중학교와 공통수학에서 포물선을 이차함수의 그래프로만 접해 왔기 때문에 포물선은 위아래로만 열린다고 생각하기 쉬워요. 그런데 이차곡선 단원에서 포물선은 한 점(초점)과 한 직선(준선)으로부터 거리가 같은 점들의 집합으로 새롭게 정의돼요. 이 정의에 따르면 좌우로 열린 포물선도 존재할 수 있고, 그 경우에는 하나의 x에 두 개의 y가 대응하므로 함수가 아니에요.
포물선 y²=4px에서 초점의 좌표는 (p, 0)이고 준선의 방정식은 x=-p로, 두 부호는 서로 반대이다.정답 보기

O (맞는 설명이에요)

방정식 속 수를 부호 그대로 좌표나 식에 옮겨 읽다 보면 초점과 준선의 위치가 뒤바뀌기 쉬워요. 실제로는 초점은 꼭짓점을 기준으로 축 위의 한쪽에 놓이고, 준선은 그 반대쪽에 축과 수직으로 놓인 직선이에요. 즉 초점의 x좌표와 준선의 방정식에 나타나는 수는 절댓값이 같고 부호가 반대라는 점을 기억하면 혼동을 피할 수 있어요.
타원 위의 한 점에서 두 초점까지의 거리의 합은 일정하지만, 그 값이 장축의 길이와 같은 것은 아니다.정답 보기

X (흔한 오개념이에요)

타원의 정의를 '두 초점까지의 거리의 합이 일정하다'는 문장으로만 외우다 보면, 그 일정한 값이 구체적으로 무엇인지 놓치기 쉬워요. 실제로는 그 일정한 값이 바로 장축의 길이와 같아요. 따라서 문제에서 두 초점까지의 거리의 합이 주어지면, 그 값을 곧바로 장축의 길이로 활용할 수 있어요.

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