수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 제시문 <가>∼<라>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 원점이 중심이고 반경 r\displaystyle r인 원 위에 놓여 있는 점 C\displaystyle \mathrm{C}는 다음과 같이 표현된다.

원의 회전과 두 반지름

<나> 구와 접하는 평면 위의 모든 벡터는 구의 중심과 접점을 연결한 벡터와 수직이다.

<다> 아래 그림에서 원점 위에 놓여 있는 구 S\displaystyle S는 xy\displaystyle x y평면에 접한다. 구 S\displaystyle S와 접하는 또 다른 평면α\displaystyle \alpha는 xy\displaystyle x y평면과 직선 l:y=3,z=0\displaystyle l : y = \sqrt{3} , z = 0에서 만난다.

<라> 아래 그림에서 평면 β\displaystyle \beta는 xy\displaystyle x y평면과 평면 α\displaystyle \alpha 사이의 각을 이등분하며 직선 l:y=3,z=0\displaystyle l : y = \sqrt{3} , z = 0에서 만난다.

구와 두 접평면

3-1. 제시문 <가>에 주어진 원에서 선분 OC‾\displaystyle \overline{\mathrm{OC}}를 선분 OD‾\displaystyle \overline{\mathrm{OD}}로 옮기는 일차변환을 이차정사각행렬로나타내시오. [10점]

3-2. 제시문 <다>에 주어진 구 S\displaystyle S의 중심좌표는 A(0,0,1)\displaystyle \mathrm{A} ( 0 , 0 , 1 )이다. 이를 이용하여 구 S\displaystyle S와 평면 α\displaystyle \alpha가접하는 접점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표와 평면 α\displaystyle \alpha의 법선벡터를 구하시오. [15점]

3-3. 제시문 <라>에 주어진 평면 β\displaystyle \beta의 법선벡터를 구하시오. [10점]

해설강의 준비중
10점 · 3-1

3-1[풀이]선분 OC‾\displaystyle \overline{\mathrm{OC}}를 선분 OD‾\displaystyle \overline{\mathrm{OD}}로 옮기는 일차변환은 원의 중심에 대한 회전변환이다.이 때, 회전각도는 2π3\displaystyle \frac{{2 \pi}}{3} 이므로 −2π3\displaystyle - \frac{{2 \pi}}{3}만큼 회전변환하는 것이다.그러므로 회전변환은 (−1232−32−12)\displaystyle {\begin{pmatrix}- \frac{{1}}{2} & \frac{{\sqrt{3}}}{2} \\ - \frac{{\sqrt{3}}}{2} & - \frac{{1}}{2}\end{pmatrix}}이다.

10점 · 3-2

3-2[풀이]제시문 <나>로부터 구와 평면 β\displaystyle \beta의 접점P\displaystyle \mathrm{P}는 (0,cos⁡θ,sin⁡θ+1)\displaystyle ( 0 , \cos \theta , \sin \theta + 1 )로 놓을 수 있다.Correction. 구와 평면의 접점을 설명하는 문장의 β\displaystyle \beta는 α\displaystyle \alpha의 오기이다. β\displaystyle \beta는 두 평면 사이의 각을 이등분하는 평면이다.그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.직선 l:y=3,z=0\displaystyle l : y = \sqrt{3} , z = 0에서 y\displaystyle y축 상의 점을 R\displaystyle \mathrm{R}이라 하면 R(0,3,0)\displaystyle \mathrm{R} ( 0 , \sqrt{3} , 0 )을 얻는다.한편, AP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AP}}와 RP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{RP}}는 수직이므로 AP→⋅RP→=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{RP}} = 0으로부터0=1−3cos⁡θ+sin⁡θ=1−2sin⁡(π3−θ)\displaystyle \begin{aligned}0 & = 1 - \sqrt{3} \cos \theta + \sin \theta \\ & = 1 - 2 \sin \left( \frac{{\pi}}{3} - \theta \right)\end{aligned}따라서 θ=π6\displaystyle \theta = \frac{{\pi}}{6}이다.그러므로 접점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표는 (0,cos⁡π6,sin⁡π6+1)=(0,32,32)\displaystyle \left( 0 , \cos \frac{{\pi}}{6} , \sin \frac{{\pi}}{6} + 1 \right) = \left( 0 , \frac{{\sqrt{3}}}{2} , \frac{{3}}{2} \right)이다.

15점 · 3-2

또한, 구의 중심 A(0,0,1)\displaystyle \mathrm{A} ( 0 , 0 , 1 )로부터 접점 P\displaystyle \mathrm{P}까지의 벡터가 법선벡터이므로평면 α\displaystyle \alpha의 법선벡터는 (0,32,12)\displaystyle \left( 0 , \frac{{\sqrt{3}}}{2} , \frac{{1}}{2} \right)이다.

3-3[풀이]

법선벡터의 회전
10점 · 3-3

yz\displaystyle y z 평면 위에 있는 xy\displaystyle x y평면의 법선벡터는 원의 중심 O\displaystyle \mathrm{O}에서 점 N\displaystyle \mathrm{N}으로 향하는 벡터 (0,1)\displaystyle ( 0 , 1 )이다.이 벡터는 원에서 N\displaystyle \mathrm{N}의 좌표에 대응한다.yz\displaystyle y z 평면상에서 평면 β\displaystyle \beta 의 법선벡터는 xy\displaystyle x y평면의 법선벡터를 −π6\displaystyle - \frac{{\pi}}{6} 회전한 원의 좌표에 대응하므로yz\displaystyle y z 평면상에서는 (12,32)\displaystyle \left( \frac{{1}}{2} , \frac{{\sqrt{3}}}{2} \right)이다.따라서, 평면 β\displaystyle \beta의 법선벡터는 (0,12,32)\displaystyle \left( 0 , \frac{{1}}{2} , \frac{{\sqrt{3}}}{2} \right)이다.

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