한양대 에리카캠퍼스 2015학년도 수시 오후 자연계열 3번 · mathesis.kr/archive/hanyang-erica/2015su_pm/jayeon_3
문제
[문제 3] 다음 제시문 <가>, <나>를 읽고 물음에 답하시오.
<가> 두 공간벡터 , 의 내적은 다음을 만족한다.(1) 영벡터가 아닌 두 벡터 , 가 이루는 각의 크기를 라 할 때,(2)
<나> 아래 그림과 같이 구 의 외부에 점 가 있다.이때 점 에서 구에 그은 접선들의 접점으로 이루어진 원을 포함하는 평면의 법선벡터는이다.

3-1. 점 에서 구 에 그은 접선들의 접점으로 이루어진 원을 포함하는 평면의방정식을 구하시오. [10점]
3-2. 점 가 구 의 외부에 있다. 구 위의 점 에 대하여 가 최소가 될 때,벡터의 연산과 내적을 이용하여 임을 보이시오. (단, 는 구의 중심, 는 양의 상수) [10점]
3-3. 세 점 , , 가 구 의 외부에 있다. 구 위의 점 에 대하여 의 최솟값과 이때 점 를 구하시오. [15점]
한양대 에리카캠퍼스 2015학년도 수시 오후 자연계열 3번 · mathesis.kr/archive/hanyang-erica/2015su_pm/jayeon_3
3-1[풀이]구 의 중심이 이므로, 가 점 에서 구에 그은 접점으로 이루어진 도형을 포함하는 평면 의 법선벡터가 된다. 따라서, 평면 의 방정식은
한편, 구에 그은 접점으로 이루어진 도형위의 한 점을 라 하고, 점 에서 평면 위로 내린 수선의 발을 라 하자.

는 변의 길이가 , , 인 직각 삼각형이고, 는 과 닮은 직각 삼각형이다. 따라서 닮음비에 의해 이므로,점 가 평면 위에 있으므로, 따라서, 구하고자 하는 평면 의 방정식은
3-2[풀이]이므로
여기서, 의 값은 일정하므로, 의 값이 최소가 되기 위해서는, 내적 이 최댓값 을 가져야 한다. 따라서 제시문 <가>에 의하여 두 벡터 , 가 이루는 각이 이 된다. 따라서 어떤 상수 에 대하여
3-3[풀이]

라 쓸 수 있으므로, 라 놓으면,가 최소 일 때, 가 최소가 된다.한편, 이므로, 는 의 무게 중심의 위치벡터이다. 따라서 점 는 의 무게 중심이다. 즉,
이제, 가 최소가 되기 위해서는, 문제 3-2에 의하여, 어떤 상수 에 대하여점 가 구 위에 있으므로,이므로,따라서, 의 최솟값은 이다.
이때, 점 는 다음과 같다.
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