수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 제시문 <가>, <나>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 두 공간벡터 a→\displaystyle \overrightarrow{a}, b→\displaystyle \overrightarrow{b}의 내적은 다음을 만족한다.(1) 영벡터가 아닌 두 벡터 a→\displaystyle \overrightarrow{a}, b→\displaystyle \overrightarrow{b}가 이루는 각의 크기를 θ\displaystyle \theta라 할 때,a→⋅b→=∣a→∣∣b→∣cos⁡θ\displaystyle \overrightarrow{a} \cdot \overrightarrow{b} = \left| \overrightarrow{a} \right| \left| \overrightarrow{b} \right| \cos \theta(2) ∣a→⋅b→∣≤∣a→∣∣b→∣\displaystyle \left| \overrightarrow{a} \cdot \overrightarrow{b} \right| \leq \left| \overrightarrow{a} \right| \left| \overrightarrow{b} \right|

<나> 아래 그림과 같이 구 (x−x0)2+(y−y0)2+(z−z0)2=r2\displaystyle \left( x - x_{0} \right)^{2} + \left( y - y_{0} \right)^{2} + \left( z - z_{0} \right)^{2} = r^{2}의 외부에 점 A(x1,y1,z1)\displaystyle \mathrm{A} \left( x_{1} , y_{1} , z_{1} \right)가 있다.이때 점 A\displaystyle \mathrm{A}에서 구에 그은 접선들의 접점으로 이루어진 원을 포함하는 평면의 법선벡터는n→=(x1−x0,y1−y0,z1−z0)\displaystyle \overrightarrow{n} = \left( x_{1} - x_{0} , y_{1} - y_{0} , z_{1} - z_{0} \right)이다.

구 밖의 점에서 그은 접선과 접점의 원

3-1. 점 A(3,6,4)\displaystyle \mathrm{A} \left( \sqrt{3} , \sqrt{6} , 4 \right)에서 구 x2+y2+z2=9\displaystyle x^{2} + y^{2} + z^{2} = 9에 그은 접선들의 접점으로 이루어진 원을 포함하는 평면의방정식을 구하시오. [10점]

3-2. 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}가 구 x2+y2+z2=r2\displaystyle x^{2} + y^{2} + z^{2} = r^{2}의 외부에 있다. 구 위의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에 대하여 ∣PQ→∣\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{PQ}} \right|가 최소가 될 때,벡터의 연산과 내적을 이용하여 OP→=tOQ→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} = t \overrightarrow{\mathrm{OQ}}임을 보이시오. (단, O\displaystyle \mathrm{O}는 구의 중심, t\displaystyle t는 양의 상수) [10점]

3-3. 세 점 A(1,2,3)\displaystyle \mathrm{A} \left( 1 , 2 , 3 \right), B(−2,1,2)\displaystyle \mathrm{B} \left( - 2 , 1 , 2 \right), C(−1,0,1)\displaystyle \mathrm{C} \left( - 1 , 0 , 1 \right)가 구 x2+y2+z2=1\displaystyle x^{2} + y^{2} + z^{2} = 1의 외부에 있다. 구 위의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에 대하여 ∣PA→+PB→+PC→∣\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{PA}} + \overrightarrow{\mathrm{PB}} + \overrightarrow{\mathrm{PC}} \right|의 최솟값과 이때 점 P\displaystyle \mathrm{P}를 구하시오. [15점]

해설강의 준비중
5점 · 3-1

3-1[풀이]구 x2+y2+z2=9\displaystyle x^{2} + y^{2} + z^{2} = 9의 중심이 O(0,0,0)\displaystyle \mathrm{O} \left( 0 , 0 , 0 \right)이므로, OA→=(3,6,4)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}} = \left( \sqrt{3} , \sqrt{6} , 4 \right)가 점 A(3,6,4)\displaystyle \mathrm{A} \left( \sqrt{3} , \sqrt{6} , 4 \right)에서 구에 그은 접점으로 이루어진 도형을 포함하는 평면 α\displaystyle \alpha의 법선벡터가 된다. 따라서, 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식은3x+6y+4z+d=0\displaystyle \sqrt{3} x + \sqrt{6} y + 4 z + d = 0

한편, 구에 그은 접점으로 이루어진 도형위의 한 점을 P\displaystyle \mathrm{P}라 하고, 점 A\displaystyle \mathrm{A}에서 평면 α\displaystyle \alpha위로 내린 수선의 발을 H\displaystyle \mathrm{H}라 하자.

접선과 구의 반지름이 이루는 직각삼각형
10점 · 3-1

△OPA\displaystyle \triangle \mathrm{OPA}는 변의 길이가 OP‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{OP}} = 3, PA‾=4\displaystyle \overline{\mathrm{PA}} = 4, AO‾=5\displaystyle \overline{\mathrm{AO}} = 5인 직각 삼각형이고, △OHP\displaystyle \triangle \mathrm{OHP}는 △OPA\displaystyle \triangle \mathrm{OPA}과 닮은 직각 삼각형이다. 따라서 닮음비에 의해 OH‾=95\displaystyle \overline{\mathrm{OH}} = \frac{{9}}{5}이므로,OH→=925(3,6,4)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OH}} = \frac{{9}}{25} \left( \sqrt{3} , \sqrt{6} , 4 \right)점 H\displaystyle \mathrm{H}가 평면 α\displaystyle \alpha위에 있으므로, d=−925(3+6+16)=−9\displaystyle d = - \frac{{9}}{25} \left( 3 + 6 + 16 \right) = - 9따라서, 구하고자 하는 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식은3x+6y+4z−9=0\displaystyle \sqrt{3} x + \sqrt{6} y + 4 z - 9 = 0

5점 · 3-2

3-2[풀이]PQ→=PO→+OQ→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PQ}} = \overrightarrow{\mathrm{PO}} + \overrightarrow{\mathrm{OQ}}이므로∣PQ→∣2=∣PO→+OQ→∣2=∣PO→∣2+∣OQ→∣2+2PO→⋅OQ→=∣PO→∣2+∣OQ→∣2−2OP→⋅OQ→\displaystyle \begin{aligned}\left| \overrightarrow{\mathrm{PQ}} \right|^{2} &= \left| \overrightarrow{\mathrm{PO}} + \overrightarrow{\mathrm{OQ}} \right|^{2} = \left| \overrightarrow{\mathrm{PO}} \right|^{2} + \left| \overrightarrow{\mathrm{OQ}} \right|^{2} + 2 \overrightarrow{\mathrm{PO}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OQ}}\\&= \left| \overrightarrow{\mathrm{PO}} \right|^{2} + \left| \overrightarrow{\mathrm{OQ}} \right|^{2} - 2 \overrightarrow{\mathrm{OP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OQ}}\end{aligned}

10점 · 3-2

여기서, ∣PO→∣2+∣OQ→∣2=r2+∣OQ→∣2\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{PO}} \right|^{2} + \left| \overrightarrow{\mathrm{OQ}} \right|^{2} = r^{2} + \left| \overrightarrow{\mathrm{OQ}} \right|^{2}의 값은 일정하므로, ∣PQ→∣\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{PQ}} \right|의 값이 최소가 되기 위해서는, 내적 OP→⋅OQ→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} \cdot \overrightarrow{\mathrm{OQ}}이 최댓값 ∣OP→∣∣OQ→∣\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{OP}} \right| \left| \overrightarrow{\mathrm{OQ}} \right|을 가져야 한다. 따라서 제시문 <가>에 의하여 두 벡터 OP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}, OQ→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}}가 이루는 각이 θ=0\displaystyle \theta = 0이 된다. 따라서 어떤 상수 t>0\displaystyle t > 0에 대하여OP→=tOQ→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} = t \overrightarrow{\mathrm{OQ}}

3-3[풀이]

구 위의 점과 세 점을 연결한 벡터
5점 · 3-3

∣PA→+PB→+PC→∣=3∣PA→+PB→+PC→3∣\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{PA}} + \overrightarrow{\mathrm{PB}} + \overrightarrow{\mathrm{PC}} \right| = 3 \left| \frac{{\overrightarrow{\mathrm{PA}} + \overrightarrow{\mathrm{PB}} + \overrightarrow{\mathrm{PC}}}}{3} \right|라 쓸 수 있으므로, PD→=PA→+PB→+PC→3\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PD}} = \frac{{\overrightarrow{\mathrm{PA}} + \overrightarrow{\mathrm{PB}} + \overrightarrow{\mathrm{PC}}}}{3}라 놓으면,∣PD→∣\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{PD}} \right|가 최소 일 때, ∣PA→+PB→+PC→∣\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{PA}} + \overrightarrow{\mathrm{PB}} + \overrightarrow{\mathrm{PC}} \right|가 최소가 된다.한편, OD→=OA→+OB→+OC→3\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OD}} = \frac{{\overrightarrow{\mathrm{OA}} + \overrightarrow{\mathrm{OB}} + \overrightarrow{\mathrm{OC}}}}{3}이므로, OD→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OD}}는 △ABC\displaystyle \triangle \mathrm{ABC}의 무게 중심의 위치벡터이다. 따라서 점 D\displaystyle \mathrm{D}는 △ABC\displaystyle \triangle \mathrm{ABC}의 무게 중심이다. 즉,D(1−2−13,2+1−03,3+2+13)=D(−23,1,2)\displaystyle \mathrm{D} \left( \frac{{1 - 2 - 1}}{3} , \frac{{2 + 1 - 0}}{3} , \frac{{3 + 2 + 1}}{3} \right) = \mathrm{D} \left( - \frac{{2}}{3} , 1 , 2 \right)

10점 · 3-3

이제, ∣PD→∣\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{PD}} \right|가 최소가 되기 위해서는, 문제 3-2에 의하여, 어떤 상수 t>0\displaystyle t > 0에 대하여OP→=tOD→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}} = t \overrightarrow{\mathrm{OD}}점 P\displaystyle \mathrm{P}가 구 x2+y2+z2=1\displaystyle x^{2} + y^{2} + z^{2} = 1위에 있으므로,t=∣OP→∣∣OD→∣=149+1+4=37\displaystyle t = \frac{{\left| \overrightarrow{\mathrm{OP}} \right|}}{\left| \overrightarrow{\mathrm{OD}} \right|} = \frac{{1}}{\sqrt{\frac{{4}}{9} + 1 + 4}} = \frac{{3}}{7}PD→=PO→+OD→=(1−t)OD→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PD}} = \overrightarrow{\mathrm{PO}} + \overrightarrow{\mathrm{OD}} = \left( 1 - t \right) \overrightarrow{\mathrm{OD}}이므로,∣PD→∣=47∣OD→∣=43\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{PD}} \right| = \frac{{4}}{7} \left| \overrightarrow{\mathrm{OD}} \right| = \frac{{4}}{3}따라서, ∣PA→+PB→+PC→∣\displaystyle \left| \overrightarrow{\mathrm{PA}} + \overrightarrow{\mathrm{PB}} + \overrightarrow{\mathrm{PC}} \right|의 최솟값은 4\displaystyle 4이다.

15점 · 3-3

이때, 점 P\displaystyle \mathrm{P}는 다음과 같다.P(−27,37,67)\displaystyle \mathrm{P} \left( - \frac{{2}}{7} , \frac{{3}}{7} , \frac{{6}}{7} \right)

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