수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 Ⅲ-3번

문제

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해설강의 준비중

반지름이 1인 4개의 구의 중심을 서로 연결하면 한 변의 길이가 2인 정사면체가 된다.

결국 대칭성에 의하여 작은 구의 중심은 정사면체의 중심과 일치하게 된다. 정사면체의 각 면은 정삼각형이고 그림에서의 h\displaystyle h와 정사면체의 꼭지점 A에서 밑변에 내린 수선의 길이 l\displaystyle l을 구해보자.

구의 중심을 잇는 정사면체와 밑면의 정삼각형

그림에서 정삼각형에 대한 면적공식을 적용하면 12×2×3=3(12×2×h)\displaystyle \frac{1}{2}\times2\times\sqrt{3}=3\left(\frac{1}{2}\times2\times h\right)로부터 h=13\displaystyle h=\frac{1}{\sqrt{3}} 이 구해지고 수선의 길이 l\displaystyle ll2=(3)2(13)2\displaystyle l^2=(\sqrt{3})^2-\left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right)^2 로부터 (직각삼각형 ADO를 고려)

l=83=236\displaystyle l=\sqrt{\frac{8}{3}}=\frac{2}{3}\sqrt{6} 가 구해진다.

정사면체의 중심 C에서 두 꼭지점 A 와 B에 이르는 거리가 같으므로 ( ∴CA=CB\displaystyle \overline{CA}=\overline{CB} )

좌표 C(0,0,z)\displaystyle C(0,0,z), A(0,0,l)\displaystyle A(0,0,l), B(0,3h,0)\displaystyle B(0,\sqrt{3}-h,0)로부터

(zl)2=(3h)2+(z0)2\displaystyle (z-l)^2=(\sqrt{3}-h)^2+(z-0)^2 을 얻고 정리하면 z=16\displaystyle z=\frac{1}{\sqrt{6}}을 얻는다. 작은 구의 반지름이 r\displaystyle r일 때, CA=1+r=lz\displaystyle \overline{CA}=1+r=l-z 이므로 r=l1z=621\displaystyle r=l-1-z=\frac{\sqrt{6}}{2}-1 을 얻게 된다.

답 : r=621=622\displaystyle r=\frac{\sqrt{6}}{2}-1=\frac{\sqrt{6}-2}{2}

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