수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

🔒
짧은 시간에 너무 많은 문제를 여셔서 열람을 잠시 제한했습니다. 잠시 후 다시 시도하시거나 로그인해 주세요.
해설강의 준비중
중점과 수선의 발을 표시한 정사면체 및 정팔면체
1단계 · (1)의 답을 구한다. : cosα=13\displaystyle \cos\alpha=-\frac13선분 BC의 중점을 M이라고 하면 선분 MA과 선분 BC가 수직이고, 선분 MF도 선분 BC에 수직이다. 따라서 평면 ABC와 평면 FBC가 이루는 이면각 중 하나는 AMF\displaystyle \angle\mathrm{AMF}와 같다. 한편, 점 A의 평면 BCDE에 내린 수선의 발 N은 정사각형 BCDE의 대각선의 교점이다. 삼각형 ANM은 직각삼각형이고 선분의 AM의 길이는 32\displaystyle \frac{\sqrt3}2, 선분 MN의 길이는 12\displaystyle \frac12이다. 따라서 cos(AMN)=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{AMN})=\frac1{\sqrt3}이다. 삼각함수의 덧셈정리를 이용하면cos(AMF)=cos(2AMN)=2cos2(AMN)1=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{AMF})=\cos(2\angle\mathrm{AMN})=2\cos^2(\angle\mathrm{AMN})-1=-\frac13이고, AMF\displaystyle \angle\mathrm{AMF}는 둔각이므로 cosα=13\displaystyle \cos\alpha=-\frac13이다.(다른 풀이) 삼각형 ABC의 넓이는 34\displaystyle \frac{\sqrt3}4이고, 삼각형 NBC의 넓이는 14\displaystyle \frac14이다. 삼각형 ABC를 평면 BCDE에 내린 정사영은 삼각형 NBC이므로, 평면 ABC와 평면 BCDE가 이루는 AMN\displaystyle \angle\mathrm{AMN}의 코사인은 두 삼각형의 넓이의 비인 cos(AMN)=(NBC의 넓이)(ABC의 넓이)=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{AMN})=\frac{(\triangle\mathrm{NBC}\text{의 넓이})}{(\triangle\mathrm{ABC}\text{의 넓이})}=\frac1{\sqrt3}와 같다. 삼각함수의 덧셈정리를 이용하면cos(AMF)=cos(2AMN)=2cos2(AMN)1=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{AMF})=\cos(2\angle\mathrm{AMN})=2\cos^2(\angle\mathrm{AMN})-1=-\frac13이고, AMF\displaystyle \angle\mathrm{AMF}는 둔각이므로 cosα=13\displaystyle \cos\alpha=-\frac13이다.

(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 AMF\displaystyle \angle\mathrm{AMF}와 같다. 한편, 점 A의 평면 BCDE에 내린 수선의 발 N은 정사각형 BCDE의 대각선의 교점이다. 삼각형 ANM은 직각삼각형이고 선분의 MA의 길이는 32\displaystyle \frac{\sqrt3}2, 선분 MN의 길이는 12\displaystyle \frac12이다. 따라서 cos(AMN)=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{AMN})=\frac1{\sqrt3}이다. 삼각함수의 덧셈정리를 이용하면cos(AMF)=cos(2AMN)=2cos2(AMN)1=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{AMF})=\cos(2\angle\mathrm{AMN})=2\cos^2(\angle\mathrm{AMN})-1=-\frac13이고, AMF\displaystyle \angle\mathrm{AMF}는 둔각이므로 cosα=13\displaystyle \cos\alpha=-\frac13이다.

2단계 · (2)의 답을 구한다. : cosβ=13\displaystyle \cos\beta=\frac13 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 l\displaystyle l이라 하면 직선 l\displaystyle l은 평면 ABC와 평면 AED의 교선이다. 교선 l\displaystyle l과 선분 AM이 이루는 각은 선분 ED와 선분 QF가 이루는 각과 같으므로 수직이다. 마찬가지로 교선 l\displaystyle l과 선분 AQ가 이루는 각도 수직이다. 따라서 두 평면의 이면각 중 하나는 MAQ\displaystyle \angle\mathrm{MAQ}이다. MA=AQ=32,MQ=1\displaystyle |\mathrm{MA}|=|\mathrm{AQ}|=\frac{\sqrt3}2,|\mathrm{MQ}|=1이므로, 삼각형 MAQ에서 코사인법칙을 이용하면 cos(MAQ)=34+34123232=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{MAQ})=\frac{\frac34+\frac34-1}{2\frac{\sqrt3}2\frac{\sqrt3}2}=\frac13이다. MAQ\displaystyle \angle\mathrm{MAQ}는 예각이므로 cosβ=13\displaystyle \cos\beta=\frac13이다.

(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 l\displaystyle l이라 하면 직선 l\displaystyle l은 평면 ABC와 평면 AED의 교선이다. 교선 l\displaystyle l과 선분 AM이 이루는 각은 선분 ED와 선분 QF가 이루는 각과 같으므로 수직이다. 마찬가지로 교선 l\displaystyle l과 선분 AQ가 이루는 각도 수직이다. 따라서 두 평면의 이면각 중 하나는 MAQ\displaystyle \angle\mathrm{MAQ}이다. MA=AQ=32,MQ=1\displaystyle |\mathrm{MA}|=|\mathrm{AQ}|=\frac{\sqrt3}2,|\mathrm{MQ}|=1이므로, 삼각형 MAQ에서 코사인법칙을 이용하면 cos(MAQ)=34+34123232=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{MAQ})=\frac{\frac34+\frac34-1}{2\frac{\sqrt3}2\frac{\sqrt3}2}=\frac13이다. MAQ\displaystyle \angle\mathrm{MAQ}는 예각이므로 cosβ=13\displaystyle \cos\beta=\frac13이다.

3단계 · (3)의 답을 구한다. : cosγ=13\displaystyle \cos\gamma=\frac13선분 GH의 중점을 O, 삼각형 IGH의 무게중심을 P라고 하자. 선분 OJ, 선분 OI는 각각 선분 GH에 수직이므로 평면 JGH와 평면 IGH의 이면각 중 하나는 JOI\displaystyle \angle\mathrm{JOI}, 즉 JOP\displaystyle \angle\mathrm{JOP}이다. 점 J의 삼각형 IGH에 내린 수선의 발이 점 P이므로cos(JOP)=POJO=133232=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{JOP})=\frac{|\mathrm{PO}|}{|\mathrm{JO}|}=\frac{\frac13\frac{\sqrt3}2}{\frac{\sqrt3}2}=\frac13이다. 여기서, 무게중심의 성질에 의해 PO=13IO\displaystyle |\mathrm{PO}|=\frac13|\mathrm{IO}|임을 사용하였다. JOP\displaystyle \angle\mathrm{JOP}는 예각이므로 cosγ=13\displaystyle \cos\gamma=\frac13이다.(다른 풀이) 삼각형 JGH의 넓이는 34\displaystyle \frac{\sqrt3}4이고, 삼각형 PGH의 넓이는 312\displaystyle \frac{\sqrt3}{12}이다. 삼각형 JGH를 평면 IGH에 내린 정사영은 삼각형 PGH이므로, cos(JOP)=(PGH의 넓이)(JGH의 넓이)=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{JOP})=\frac{(\triangle\mathrm{PGH}\text{의 넓이})}{(\triangle\mathrm{JGH}\text{의 넓이})}=\frac13이다. JOP\displaystyle \angle\mathrm{JOP}는 예각이므로 cosγ=13\displaystyle \cos\gamma=\frac13이다.

(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\displaystyle \angle\mathrm{JOI}, 즉 JOP\displaystyle \angle\mathrm{JOP}이다. 점 J의 삼각형 IGH에 내린 수선의 발이 점 P이므로cos(JOP)=POJO=133232=13\displaystyle \cos(\angle\mathrm{JOP})=\frac{|\mathrm{PO}|}{|\mathrm{JO}|}=\frac{\frac13\frac{\sqrt3}2}{\frac{\sqrt3}2}=\frac13이다. 여기서, 무게중심의 성질에 의해 PO=13IO\displaystyle |\mathrm{PO}|=\frac13|\mathrm{IO}|임을 사용하였다. JOP\displaystyle \angle\mathrm{JOP}는 예각이므로 cosγ=13\displaystyle \cos\gamma=\frac13이다.

4단계 · (4)를 보인다. : α+γ=π\displaystyle \alpha+\gamma=\pi를 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 γ\displaystyle \gamma와 평면 FBC와 평면 ABC의 이면각 중 둔각의 크기 α\displaystyle \alpha의 합 α+γ\displaystyle \alpha+\gamma와 같다. cos(πα)=cosα=13=cosγ\displaystyle \cos(\pi-\alpha)=-\cos\alpha=\frac13=\cos\gamma이고 0<πα,γ<π2\displaystyle 0<\pi-\alpha,\gamma<\frac\pi2이므로 α+γ=π\displaystyle \alpha+\gamma=\pi이다. 따라서 평면 ABC와 평면 JGH는 일치한다.(다른 풀이) cosα=13,cosγ=13\displaystyle \cos\alpha=-\frac13,\cos\gamma=\frac130<γ<π2<α<π\displaystyle 0<\gamma<\frac\pi2<\alpha<\pi로부터, 다음과 같이 삼각함수의 덧셈정리를 이용하면sin(α+γ)=sinαcosγ+cosαsinγ=2231313223=0\displaystyle \sin(\alpha+\gamma)=\sin\alpha\cos\gamma+\cos\alpha\sin\gamma=\frac{2\sqrt2}3\frac13-\frac13\frac{2\sqrt2}3=0이고 π2<α+γ<3π2\displaystyle \frac\pi2<\alpha+\gamma<\frac{3\pi}2이므로 α+γ=π\displaystyle \alpha+\gamma=\pi를 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 γ\displaystyle \gamma와 평면 FBC와 평면 ABC의 이면각 중 둔각의 크기 α\displaystyle \alpha의 합 α+γ\displaystyle \alpha+\gamma와 같다. cos(πα)=cosα=13=cosγ\displaystyle \cos(\pi-\alpha)=-\cos\alpha=\frac13=\cos\gamma이고 0<πα,γ<π2\displaystyle 0<\pi-\alpha,\gamma<\frac\pi2이므로 α+γ=π\displaystyle \alpha+\gamma=\pi이다. 따라서 평면 ABC와 평면 JGH는 일치한다.

채점 기준배점
[1단계]부터 [4단계]까지 모든 단계의 풀이 과정이 논리적인 경우S
[1단계]부터 [4단계]까지 모든 단계를 작성하였으나 풀이 과정이 논리적이지 않은 경우A
[1단계]부터 [3단계]까지 모두 풀이 과정이 논리적인 경우B
[1단계]부터 [3단계] 중에서 어느 두 단계만 풀이 과정이 논리적인 경우C
[1단계]부터 [3단계] 중에서 어느 한 단계만 풀이 과정이 논리적인 경우D
[1단계]부터 [3단계] 중에서 어느 한 단계라도 부분적으로 풀이 과정을 작성한 경우E
어느 단계의 일부분도 풀이 과정이 논리적이지 않거나 전혀 작성하지 않은 경우F

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.