수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후2) 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

<가> 좌표공간에서 중심이 원점이고 반지름이 1인 구면을 S\displaystyle S라 하자.

<나> 좌표공간에서 세 평면 α,β,γ\displaystyle \alpha,\beta,\gamma의 방정식이 다음과 같이 주어져 있다.α:z=0,β:z=3y,γ:x=2y\displaystyle \alpha:z=0,\quad\beta:z=\sqrt3y,\quad\gamma:x=\sqrt2y

<다> 구면 S\displaystyle S와 각각의 평면 α,β,γ\displaystyle \alpha,\beta,\gamma의 교선은 원이다. 이를 각각 C1,C2,C3\displaystyle C_1,C_2,C_3이라 하자.

1. 원 C2\displaystyle C_2를 경계로 하는 원판을 A\displaystyle A라 할 때, 원판 A\displaystyle A의 평면 γ\displaystyle \gamma 위로의 정사영의 넓이를 구하시오.

2. 원 C1,C2\displaystyle C_1,C_2의 교점 중 x\displaystyle x좌표가 양인 점을 M1\displaystyle \mathrm M_1, 원 C2,C3\displaystyle C_2,C_3의 교점 중 x\displaystyle x좌표가 양인 점을 M2\displaystyle \mathrm M_2, 원 C3,C1\displaystyle C_3,C_1의 교점 중 x\displaystyle x좌표가 양인 점을 M3\displaystyle \mathrm M_3이라 하자. 세 점 M1,M2,M3\displaystyle \mathrm M_1,\mathrm M_2,\mathrm M_3을 지나는 평면의 방정식을 ax+by+cz=1\displaystyle ax+by+cz=1이라 할 때, a+b+c\displaystyle a+b+c의 값을 구하시오.

3. 반지름이 1인 구면의 넓이는 4π\displaystyle 4\pi이다. 세 원 C1,C2,C3\displaystyle C_1,C_2,C_3은 구면 S\displaystyle S를 몇 개의 조각으로 나누고 있는지를 밝히고, 이 조각들 중 가장 작은 조각의 넓이를 구하시오.

해설강의 준비중

1. S\displaystyle S는 중심이 원점이고 반지름이 1인 원이고, α,β,γ\displaystyle \alpha,\beta,\gamma는 모두 원점을 지나는 평면이므로, 교선 C1,C2,C3\displaystyle C_1,C_2,C_3는 각각의 평면 α,β,γ\displaystyle \alpha,\beta,\gamma에 놓인 반지름 1인 원이다. 따라서 원판 A\displaystyle A의 넓이는 π\displaystyle \pi이다.

+20점 · 두 평면 β\displaystyle \beta와 γ\displaystyle \gamma가 이루는 각을 구한다.

평면 β:3y−z=0\displaystyle \beta:\sqrt3y-z=0의 법선벡터는 (0,3,−1)\displaystyle (0,\sqrt3,-1), 평면 γ:−x+2y=0\displaystyle \gamma:-x+\sqrt2y=0의 법선벡터는 (−1,2,0)\displaystyle (-1,\sqrt2,0)로 놓고 두 평면이 이루는 예각을 θ\displaystyle \theta라 하면, cos⁡θ=(0,3,−1)⋅(−1,2,0)∣(0,3,−1)∣∣(−1,2,0)∣=22\displaystyle \cos\theta=\frac{(0,\sqrt3,-1)\cdot(-1,\sqrt2,0)}{|(0,\sqrt3,-1)||(-1,\sqrt2,0)|}=\frac{\sqrt2}2이다.

+10점 · 두 평면이 만날 때, 한 평면에 놓여있는 원판의 다른 평면 위로의 정사영의 넓이를 구한다.

따라서 (원판 A\displaystyle A의 평면 γ\displaystyle \gamma 위로의 정사영의 넓이) = (원판 A\displaystyle A의 넓이)×cos⁡θ=22π\displaystyle \times\cos\theta=\frac{\sqrt2}2\pi이다.

+15점 · 구면 위의 주어진 조건을 만족하는 세 점을 구한다.

2. 점 M1\displaystyle \mathrm M_1을 (x,y,z)\displaystyle (x,y,z)라 하면 x2+y2+z2=1, z=0, z=3y, x>0\displaystyle x^2+y^2+z^2=1,\ z=0,\ z=\sqrt3y,\ x>0을 만족한다. 따라서 M1\displaystyle \mathrm M_1은 (1,0,0)\displaystyle (1,0,0)이고, 같은 방법으로 M2\displaystyle \mathrm M_2는 (13,16,12)\displaystyle \left(\frac1{\sqrt3},\frac1{\sqrt6},\frac1{\sqrt2}\right), M3\displaystyle \mathrm M_3는 (23,13,0)\displaystyle \left(\frac{\sqrt2}{\sqrt3},\frac1{\sqrt3},0\right)이다. <그림 1 참조>

+15점 · 위에서 구한 세 점을 지나는 평면의 방정식을 구한다.

세 점 M1,M2,M3\displaystyle \mathrm M_1,\mathrm M_2,\mathrm M_3를 지나는 평면의 방정식을 ax+by+cz=1\displaystyle ax+by+cz=1로 두고 위 좌표들을 대입해 a,b,c\displaystyle a,b,c를 구하면, 평면의 방정식은 x+(3−2)y+(2−1)z=1\displaystyle x+(\sqrt3-\sqrt2)y+(\sqrt2-1)z=1이 되고, 따라서 a+b+c=3\displaystyle a+b+c=\sqrt3이다.

세 대원의 교점과 구면의 분할 영역, 원문 그림 1
세 대원의 교점과 구면의 분할 영역, 원문 그림 2
세 대원의 교점과 구면의 분할 영역, 원문 그림 3
세 대원의 교점과 구면의 분할 영역, 원문 그림 4

3. C1,C2,C3\displaystyle C_1,C_2,C_3는 S\displaystyle S를 8개의 조각으로 나눈다.

+20점 · 평면 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta, β\displaystyle \beta와 γ\displaystyle \gamma, γ\displaystyle \gamma와 α\displaystyle \alpha가 이루는 각을 구한다.

평면 α,β,γ\displaystyle \alpha,\beta,\gamma의 법선벡터를 각각 (0,0,1),(0,3,−1),(−1,2,0)\displaystyle (0,0,1),(0,\sqrt3,-1),(-1,\sqrt2,0)로 하면, 문제 1의 방법을 따라 평면 α,β\displaystyle \alpha,\beta가 이루는 예각은 π3\displaystyle \frac\pi3, 평면 β,γ\displaystyle \beta,\gamma가 이루는 예각은 π4\displaystyle \frac\pi4, 평면 γ,α\displaystyle \gamma,\alpha가 이루는 각은 π2\displaystyle \frac\pi2이다.

+20점 · 세 원에 의해 나누어진 구면 조각들의 넓이를 구한다.

<그림 2>의 색칠한 부분의 넓이 =2(S1+S2)=2×4π×π32π=43π\displaystyle =2(S_1+S_2)=2\times4\pi\times\frac{\frac\pi3}{2\pi}=\frac43\pi이고, 정리하면 S1+S2=23π\displaystyle S_1+S_2=\frac23\pi …… (1)<그림 3>의 색칠한 부분의 넓이 =2(S1+S3)=2×4π×π42π=π\displaystyle =2(S_1+S_3)=2\times4\pi\times\frac{\frac\pi4}{2\pi}=\pi이고, 정리하면 S1+S3=π2\displaystyle S_1+S_3=\frac\pi2 …… (2)<그림 4>의 색칠한 부분의 넓이 =2(S1+S4)=2×4π×π22π=2π\displaystyle =2(S_1+S_4)=2\times4\pi\times\frac{\frac\pi2}{2\pi}=2\pi이고, 정리하면 S1+S4=π\displaystyle S_1+S_4=\pi …… (3)구면의 넓이는 2S1+2S2+2S3+2S4=4π\displaystyle 2S_1+2S_2+2S_3+2S_4=4\pi이고, 정리하면 S1+S2+S3+S4=2π\displaystyle S_1+S_2+S_3+S_4=2\pi …… (4)(1), (2), (3), (4)로부터 S1=π12, S2=712π, S3=512π, S4=1112π\displaystyle S_1=\frac\pi{12},\ S_2=\frac7{12}\pi,\ S_3=\frac5{12}\pi,\ S_4=\frac{11}{12}\pi이고, 따라서 가장 작은 조각의 넓이는 S1=π12\displaystyle S_1=\frac\pi{12}이다.

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