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동국대 2026학년도 수시 자연계열 1번 · mathesis.kr/archive/dongguk/2026su/jayeon_1
1단계 · (1)의 답을 구한다. : cosα=−31선분 BC의 중점을 M이라고 하면 선분 MA과 선분 BC가 수직이고, 선분 MF도 선분 BC에 수직이다. 따라서 평면 ABC와 평면 FBC가 이루는 이면각 중 하나는 ∠AMF와 같다. 한편, 점 A의 평면 BCDE에 내린 수선의 발 N은 정사각형 BCDE의 대각선의 교점이다. 삼각형 ANM은 직각삼각형이고 선분의 AM의 길이는 23, 선분 MN의 길이는 21이다. 따라서 cos(∠AMN)=31이다. 삼각함수의 덧셈정리를 이용하면cos(∠AMF)=cos(2∠AMN)=2cos2(∠AMN)−1=−31이고, ∠AMF는 둔각이므로 cosα=−31이다.(다른 풀이) 삼각형 ABC의 넓이는 43이고, 삼각형 NBC의 넓이는 41이다. 삼각형 ABC를 평면 BCDE에 내린 정사영은 삼각형 NBC이므로, 평면 ABC와 평면 BCDE가 이루는 ∠AMN의 코사인은 두 삼각형의 넓이의 비인 cos(∠AMN)=(△ABC의넓이)(△NBC의넓이)=31와 같다. 삼각함수의 덧셈정리를 이용하면cos(∠AMF)=cos(2∠AMN)=2cos2(∠AMN)−1=−31이고, ∠AMF는 둔각이므로 cosα=−31이다.
(1) 선분 BC의 중점을 M이라고 하면 선분 MA과 선분 BC가 수직이고, 선분 MF도 선분 BC에 수직이다. 따라서 평면 ABC와 평면 FBC가 이루는 이면각 중 하나는 ∠AMF와 같다. 한편, 점 A의 평면 BCDE에 내린 수선의 발 N은 정사각형 BCDE의 대각선의 교점이다. 삼각형 ANM은 직각삼각형이고 선분의 MA의 길이는 23, 선분 MN의 길이는 21이다. 따라서 cos(∠AMN)=31이다. 삼각함수의 덧셈정리를 이용하면cos(∠AMF)=cos(2∠AMN)=2cos2(∠AMN)−1=−31이고, ∠AMF는 둔각이므로 cosα=−31이다.
2단계 · (2)의 답을 구한다. : cosβ=31
선분 ED의 중점을 Q라고 하자. 사각형 MAQF는 네 변의 길이가 같은 사각형으로 선분 MA와 선분 FQ, 선분 QA와 선분 FM은 각각 평행이다. 선분 BC와 선분 ED도 평행인 선분이다. 점 A를 지나고 이 선분들과 평행인 직선을 l이라 하면 직선 l은 평면 ABC와 평면 AED의 교선이다. 교선 l과 선분 AM이 이루는 각은 선분 ED와 선분 QF가 이루는 각과 같으므로 수직이다. 마찬가지로 교선 l과 선분 AQ가 이루는 각도 수직이다. 따라서 두 평면의 이면각 중 하나는 ∠MAQ이다. ∣MA∣=∣AQ∣=23,∣MQ∣=1이므로, 삼각형 MAQ에서 코사인법칙을 이용하면 cos(∠MAQ)=2232343+43−1=31이다. ∠MAQ는 예각이므로 cosβ=31이다.
(2) 선분 ED의 중점을 Q라고 하자. 사각형 MAQF는 네 변의 길이가 같은 사각형으로 선분 MA와 선분 QF, 선분 QA와 선분 FM은 각각 평행이다. 선분 BC와 선분 ED도 평행인 선분이다. 점 A를 지나고 이 선분들과 평행인 직선을 l이라 하면 직선 l은 평면 ABC와 평면 AED의 교선이다. 교선 l과 선분 AM이 이루는 각은 선분 ED와 선분 QF가 이루는 각과 같으므로 수직이다. 마찬가지로 교선 l과 선분 AQ가 이루는 각도 수직이다. 따라서 두 평면의 이면각 중 하나는 ∠MAQ이다. ∣MA∣=∣AQ∣=23,∣MQ∣=1이므로, 삼각형 MAQ에서 코사인법칙을 이용하면 cos(∠MAQ)=2232343+43−1=31이다. ∠MAQ는 예각이므로 cosβ=31이다.
3단계 · (3)의 답을 구한다. : cosγ=31선분 GH의 중점을 O, 삼각형 IGH의 무게중심을 P라고 하자. 선분 OJ, 선분 OI는 각각 선분 GH에 수직이므로 평면 JGH와 평면 IGH의 이면각 중 하나는 ∠JOI, 즉 ∠JOP이다. 점 J의 삼각형 IGH에 내린 수선의 발이 점 P이므로cos(∠JOP)=∣JO∣∣PO∣=233123=31이다. 여기서, 무게중심의 성질에 의해 ∣PO∣=31∣IO∣임을 사용하였다. ∠JOP는 예각이므로 cosγ=31이다.(다른 풀이) 삼각형 JGH의 넓이는 43이고, 삼각형 PGH의 넓이는 123이다. 삼각형 JGH를 평면 IGH에 내린 정사영은 삼각형 PGH이므로, cos(∠JOP)=(△JGH의넓이)(△PGH의넓이)=31이다. ∠JOP는 예각이므로 cosγ=31이다.
(3) 선분 GH의 중점을 O, 삼각형 IGH의 무게중심을 P라고 하자. 선분 OJ, 선분 OI는 각각 선분 GH에 수직이므로 평면 JGH와 평면 IGH의 이면각 중 하나는 ∠JOI, 즉 ∠JOP이다. 점 J의 삼각형 IGH에 내린 수선의 발이 점 P이므로cos(∠JOP)=∣JO∣∣PO∣=233123=31이다. 여기서, 무게중심의 성질에 의해 ∣PO∣=31∣IO∣임을 사용하였다. ∠JOP는 예각이므로 cosγ=31이다.
4단계 · (4)를 보인다. : α+γ=π를 이용할 수 있다.점 G와 점 B, 점 H와 점 C, 점 I와 점 F를 일치시키면, 선분 GH의 중점 O와 선분 BC의 중점 M도 일치한다. 평면 JGH와 평면 ABC의 이면각의 크기는 평면 JGH와 평면 IGH의 이면각 중 예각의 크기 γ와 평면 FBC와 평면 ABC의 이면각 중 둔각의 크기 α의 합 α+γ와 같다. cos(π−α)=−cosα=31=cosγ이고 0<π−α,γ<2π이므로 α+γ=π이다. 따라서 평면 ABC와 평면 JGH는 일치한다.(다른 풀이) cosα=−31,cosγ=31과 0<γ<2π<α<π로부터, 다음과 같이 삼각함수의 덧셈정리를 이용하면sin(α+γ)=sinαcosγ+cosαsinγ=32231−31322=0이고 2π<α+γ<23π이므로 α+γ=π를 얻을 수 있다. 따라서 평면 ABC와 평면 JGH는 일치한다.
(4) 점 G와 점 B, 점 H와 점 C, 점 I와 점 F를 일치시키면, 선분 GH의 중점 O와 선분 BC의 중점 M도 일치한다. 평면 JGH와 평면 ABC의 이면각의 크기는 평면 JGH와 평면 IGH의 이면각 중 예각의 크기 γ와 평면 FBC와 평면 ABC의 이면각 중 둔각의 크기 α의 합 α+γ와 같다. cos(π−α)=−cosα=31=cosγ이고 0<π−α,γ<2π이므로 α+γ=π이다. 따라서 평면 ABC와 평면 JGH는 일치한다.