요약
이 수업에서는 쌍곡선을 두 정점(초점)까지의 거리의 차가 일정한 점들의 집합으로 정의하고, 이 정의로부터 쌍곡선의 방정식을 유도한다. 쌍곡선의 요소(중심, 꼭짓점, 초점, 점근선, 이심률)를 살펴보고, 쌍곡선을 임의의 중심으로 평행이동하며, 완전제곱식 만들기로 이차방정식 속에서 쌍곡선을 알아보는 방법을 보인다. 이때 방정식이 두 직선의 쌍을 나타내는 경우도 놓치지 않는다. 끝으로 교점, 접함, 자취에 관한 문제를 다룬다.
학습 목표
- 쌍곡선의 정의를 초점을 이용하여 서술하고, 거리의 차인 상수가 만족해야 하는 조건을 설명한다.
- 정의로부터 쌍곡선의 기본 방정식을 유도하고, 그로부터 중심, 꼭짓점, 초점, 점근선, 이심률을 읽어 낸다.
- 축이 좌표축에 평행한 쌍곡선을 완전제곱식 만들기로 이차방정식 속에서 알아보고, 퇴화한 경우와 구별한다.
- 쌍곡선이 관련된 교점, 접함, 자취 문제를 푼다.
쌍곡선의 정의
타원과 원의 방정식에 관한 수업에서는 타원을 두 초점까지의 거리의 합이 일정한 점들의 집합으로 정의하였다. 쌍곡선은 합을 차로 바꾸면 얻어진다.
과 를 평면 위의 서로 다른 두 점(초점)이라 하고, 그 사이의 거리를 이라 하자. 또 를 를 만족하는 수라 하자. 과 를 초점으로 하는 쌍곡선은 평면 위의 점 가운데, 어느 초점이 더 가까운지에 관계없이 두 초점까지의 거리의 차가 정확히 인 것들의 집합이다.
기호로 쓰면, 과 를 각각 에서 까지와 까지의 거리라 할 때, 점 가 쌍곡선에 속하는 것은 아래의 두 방정식 중 하나를 만족할 때이다. 첫째 방정식을 만족하는 점들은 에 더 가깝고 한 가지를 이루며, 둘째 방정식을 만족하는 점들은 에 더 가깝고 다른 가지를 이룬다:
조건 은 임의로 정한 것이 아니다. , , 를 꼭짓점으로 하는 삼각형에서 두 변의 차는 항상 셋째 변보다 작고, 셋째 변의 길이는 이다. 따라서 초점을 지나는 직선 밖의 어떤 점도 거리의 차가 와 같거나 그보다 클 수 없다. 이면 조건을 만족하는 점은 초점에서 바깥쪽으로 뻗는 두 반직선 위의 점뿐이고, 이면 그런 점은 하나도 없다. 이 두 주장 가운데 앞의 것은 삼각부등식의 등호가 성립하는 경우로부터 따라 나오며, 이 경우는 평면벡터에 관한 수업에서 증명하였다. 와 에 적용하면, 등식 은 두 벡터 중 하나가 다른 것에 음이 아닌 수를 곱한 것일 것, 즉 가 초점을 지나는 직선 위에 있고 가 와 사이에 있을 것(또는 와 일치할 것)을 요구한다. 이면 조건은 가 두 초점에서 같은 거리에 있다는 뜻이며, 초점을 잇는 선분의 수직이등분선을 나타낸다. 이 집합들은 어느 것도 쌍곡선이 아니므로 제외한다.
초점을 잇는 선분의 중점을 쌍곡선의 중심이라 하고, 초점을 지나는 직선을 그 초점축이라 한다. 초점축 위에 있는 쌍곡선의 두 점을 그 꼭짓점이라 한다. 두 꼭짓점 사이의 거리는 이므로, 각 꼭짓점은 중심에서 거리 만큼 떨어져 있다.
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