수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제3] 다음 제시문을 읽고 질문에 답하시오. (40점)

(가) 두 벡터 LM→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{LM}}, LN→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{LN}}이 이루는 각의 크기가 θ\displaystyle \theta일 때,∣LM→∣ ∣LN→∣cos⁡θ\displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{LM}}|\,|\overrightarrow{\mathrm{LN}}|\cos\theta를 LM→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{LM}}와 LN→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{LN}}의 내적이라 하고 기호로 LM→⋅LN→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{LM}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{LN}}과 같이 나타낸다.

(나) 그림과 같이 반지름의 길이가 5\displaystyle 5인 구 O\displaystyle O가 점 A\displaystyle \mathrm A에서 평면 α\displaystyle \alpha에 접한다. 점 A\displaystyle \mathrm A를 지나고 평면α\displaystyle \alpha와 이루는 각의 크기가 θ\displaystyle \theta인 직선이 구 O\displaystyle O와 만나는 점을 B (≠A)\displaystyle \mathrm B\,(\ne\mathrm A)라 하고, 점 B\displaystyle \mathrm B의 평면 α\displaystyle \alpha위로의 정사영을 B′\displaystyle \mathrm B^{\prime}이라 하자.점 A\displaystyle \mathrm A를 출발하여 구 O\displaystyle O 위를 움직이며 점 A\displaystyle \mathrm A로 되돌아오는 점 P\displaystyle \mathrm P의 자취 C\displaystyle C에 대하여 곡선C\displaystyle C의 평면 α\displaystyle \alpha 위로의 정사영 ℓ\displaystyle \ell은 길이가 10\displaystyle 10인 선분이라고 하자.(단, 점 P\displaystyle \mathrm P는 출발할 때와도착할 때 이외에는 점 A\displaystyle \mathrm A를 지나지 않는다.)

평면에 접하는 구와 점 B의 정사영

[논제 1] 좌표공간에 중심이 원점이고 반지름의 길이가 3\displaystyle 3인 구와 평면 x−y+z+a=0\displaystyle x-y+z+a=0이 만나서생기는 원 D\displaystyle D가 있다. 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}가 원 D\displaystyle D의 지름일 때, 삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}의 넓이가 33a\displaystyle \frac{\sqrt3}3a이되도록 하는 양수 a\displaystyle a의 값을 구하시오.(단, O\displaystyle \mathrm O는 원점이다.) (10점)

[논제 2] <제시문> (나)에서 선분 ℓ\displaystyle \ell과 직선 AB′\displaystyle \mathrm{AB}^{\prime}이 이루는 각의 크기가 45∘\displaystyle 45^\circ이고 tan⁡θ=12\displaystyle \tan\theta=\frac12이라 하자.두 벡터 AB→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}}와 AP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AP}}의 내적이 최대일 때 벡터 AP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AP}}의 길이는 a\displaystyle a이다. (15a)2\displaystyle \left(\frac15a\right)^2의 값을 구하시오.(30점)

해설강의 준비중
+5점 · 구의 중심과 평면과의 거리 ∣a∣12+(−1)2+12=a3\displaystyle \frac{|a|}{\sqrt{1^2+(-1)^2+1^2}}=\frac a{\sqrt3}을 제시

[논제 1]원 D\displaystyle D의 중심을 O′\displaystyle \mathrm O^{\prime}이라고 하자. 구의 중심 O(0,0,0)\displaystyle \mathrm O(0,0,0)과 평면 x−y+z+a=0\displaystyle x-y+z+a=0의 거리는∣a∣12+(−1)2+12=a3\displaystyle \frac{|a|}{\sqrt{1^2+(-1)^2+1^2}}=\frac a{\sqrt3}이므로 OO′‾=a3\displaystyle \overline{\mathrm{OO}^{\prime}}=\frac a{\sqrt3}이고, 이 길이는 삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}의 높이이다.

+5점 · a=26\displaystyle a=2\sqrt6을 제시

삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}는 원 D\displaystyle D의 지름을 한 변으로 하고, 구의 반지름을 두 변으로 하는 이등변삼각형이다. 원D\displaystyle D의 반지름의 길이를 r\displaystyle r라고 하면, r2=9−a23\displaystyle r^2=9-\frac{a^2}3이므로 r=9−a23\displaystyle r=\sqrt{9-\frac{a^2}3}이다.삼각형 OPQ\displaystyle \mathrm{OPQ}의 넓이는 12×a3×29−a23\displaystyle \frac12\times\frac a{\sqrt3}\times2\sqrt{9-\frac{a^2}3}이다. 문제의 조건으로부터 12×a3×29−a23=a3\displaystyle \frac12\times\frac a{\sqrt3}\times2\sqrt{9-\frac{a^2}3}=\frac a{\sqrt3}이므로 a=26\displaystyle a=2\sqrt6이다.

+5점 · C\displaystyle C가 대원임을 제시

[논제 2]곡선 C\displaystyle C의 평면 α\displaystyle \alpha 위로의 정사영이 선분이므로 곡선 C\displaystyle C는 구 O\displaystyle O 위의 원이거나 원의 일부이다.평면 α\displaystyle \alpha가 구 O\displaystyle O에 접하므로 곡선 C\displaystyle C는 대원(의 일부)이고 ℓ\displaystyle \ell의 길이가 10\displaystyle 10이고 점 P\displaystyle \mathrm P는 점 A\displaystyle \mathrm A를 출발할때와 도착할 때만 지나므로 곡선 C\displaystyle C는 대원 전체이다.

+5점 · 점 B\displaystyle \mathrm B를 평면 β\displaystyle \beta에 정사영시킨 점(=B′′\displaystyle =\mathrm B^{\prime\prime})의 위치를 제시

곡선 C\displaystyle C를 포함한 평면을 β\displaystyle \beta라 하고 점 B\displaystyle \mathrm B의 평면 β\displaystyle \beta 위로의 정사영을 B′′\displaystyle \mathrm B^{\prime\prime}라 하자.(아래 <그림1>)AB→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}}를 직선 AP\displaystyle \mathrm{AP} 위로 정사영시킨 벡터와 AB′′→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}^{\prime\prime}}을 직선 AP\displaystyle \mathrm{AP} 위로 정사영시킨 벡터가 같은 벡터이므로AB→⋅AP→=AB′′→⋅AP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AP}}=\overrightarrow{\mathrm{AB}^{\prime\prime}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AP}}이다.

두 평면 α와 β 위로의 정사영

선분 ℓ\displaystyle \ell과 선분 AB′‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}^{\prime}}이 이루는 각의 크기는 45∘\displaystyle 45^\circ이므로 AB′→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}^{\prime}}의 크기를 m\displaystyle m, 점 B′′\displaystyle \mathrm B^{\prime\prime}에서 평면 α\displaystyle \alpha까지의거리(=높이)를 h\displaystyle h라 하면 구의 중심 O\displaystyle \mathrm O에서 구 위의 점 B\displaystyle \mathrm B까지의 거리가 5\displaystyle 5이므로m2+(5−h)2=25\displaystyle m^2+(5-h)^2=25이고, h=m×tan⁡θ=m2\displaystyle h=m\times\tan\theta=\frac m2이므로 h=2\displaystyle h=2이다.

+10점 · 최대가 되는 점 P\displaystyle \mathrm P의 위치를 제시(<그림 2>의 설명)

옆 그림과 같이 AB′′→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}^{\prime\prime}}과 AP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AP}}의 내적이 최대가 되는 점을 P0\displaystyle \mathrm P_0이라 하자. 내적이 최대가 되기 위해서는 점 P0\displaystyle \mathrm P_0에 접하는 접선이 AB′′→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}^{\prime\prime}}의 연장선과 수직으로 만나야 하고, 또한 원의 특성에의해서 점 P0\displaystyle \mathrm P_0에 접하는 접선은 선분 OP0‾\displaystyle \overline{\mathrm{OP}_0}과도 수직이다. 그러므로 두 벡터 AB′′→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}^{\prime\prime}}와 OP0→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}_0}은 평행하다. (<그림2>)

내적이 최대인 점 P₀에서의 접선
+10점 · AP0‾\displaystyle \overline{\mathrm{AP}_0}의 값을 제시

벡터 OP0→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}_0}의 직선 ℓ\displaystyle \ell 위로 정사영한 벡터의 성분의 길이를 p\displaystyle p, 점 O\displaystyle \mathrm O를 지나고 직선 ℓ\displaystyle \ell과 수직인 직선 위로 정사영한 벡터의 성분의 길이를 q\displaystyle q라 하자.(아래 <그림3>)AB′′→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}^{\prime\prime}}과 OP0→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}_0}은 평행하므로 아래 그림과 같이222=qp\displaystyle \frac2{2\sqrt2}=\frac qp 이고 p2+q2=25\displaystyle p^2+q^2=25이다. 따라서 p=523\displaystyle p=5\sqrt{\frac23}, q=513\displaystyle q=5\frac1{\sqrt3}이고 결국 AP0‾\displaystyle \overline{\mathrm{AP}_0}의 길이는 선분 OA‾\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}의 길이가 5\displaystyle 5이므로(523)2+(513+5)2=52+233\displaystyle \sqrt{\left(5\sqrt{\frac23}\right)^2+\left(5\sqrt{\frac13}+5\right)^2}=5\sqrt{2+\frac23\sqrt3}이다. 그러므로 정답은 2+233\displaystyle 2+\frac23\sqrt3이다.

벡터 OP₀의 수평 성분 p와 수직 성분 q

<참고> β\displaystyle \beta평면에 좌표평면을 설정해서 풀 수 있다.

예시 답안의 내용 및 평가 기준의 내용과는 일치하지 않더라도 기술한 내용이 논리적으로 타당한 경우에는 평가위원의 판단에 따라 부분 점수를 부여할 수 있음.

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