수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오후1) 1번

문제

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해설강의 준비중

1.

반지름 20인 구와 중심이 (3,4,12)인 단면

C\displaystyle C의 중심 (3,4,12)\displaystyle (3,4,12)와 원점과의 거리 =32+42+122=13\displaystyle =\sqrt{3^2+4^2+12^2}=13이다.따라서 C\displaystyle C의 반지름 =202132=231\displaystyle =\sqrt{20^2-13^2}=\sqrt{231}이고, C\displaystyle C의 넓이는 231π\displaystyle 231\pi이다.평면 4x+5y20z=1\displaystyle 4x+5y-20z=1의 법선벡터를 (4,5,20)\displaystyle (4,5,-20), 원 C\displaystyle C를 포함하는 평면의 법선벡터를 (3,4,12)\displaystyle (3,4,12)로 택하자. 두 평면이 이루는 각을 θ(0θπ2)\displaystyle \theta\left(0\le\theta\le\frac\pi2\right)라 하면,cosθ=(3,4,12)(4,5,20)32+42+12242+52+(20)2=1621\displaystyle \cos\theta=\frac{|(3,4,12)\cdot(4,5,-20)|}{\sqrt{3^2+4^2+12^2}\sqrt{4^2+5^2+(-20)^2}}=\frac{16}{21}이다.따라서 구하는 정사영의 넓이는 231π1621=176π\displaystyle 231\pi\cdot\frac{16}{21}=176\pi이다.

2. 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식은 z=my\displaystyle z=my또는 y=0\displaystyle y=0(xz\displaystyle xz-평면)라 할 수 있다. 따라서 α\displaystyle \alpha의 법선벡터는 (0,m,1)\displaystyle (0,m,-1) 또는 (0,1,0)\displaystyle (0,1,0)로 택할 수 있다. 원 C\displaystyle C를 포함하는 평면이 이루는 각을 θ(0θπ2)\displaystyle \theta\left(0\le\theta\le\frac\pi2\right)라 하면cosθ=(0,m,1)(3,4,12)02+m2+(1)232+42+122\displaystyle \cos\theta=\frac{|(0,m,-1)\cdot(3,4,12)|}{\sqrt{0^2+m^2+(-1)^2}\sqrt{3^2+4^2+12^2}} 또는 (0,1,0)(3,4,12)02+12+0232+42+122=4m1213m2+1\displaystyle \frac{|(0,1,0)\cdot(3,4,12)|}{\sqrt{0^2+1^2+0^2}\sqrt{3^2+4^2+12^2}}=\frac{|4m-12|}{13\sqrt{m^2+1}} 또는 413\displaystyle \frac4{13}이다.4m1213m2+1\displaystyle \frac{|4m-12|}{13\sqrt{m^2+1}}m=13\displaystyle m=-\frac13일 때 최대값 41310\displaystyle \frac4{13}\sqrt{10}을 갖는다. 따라서 AαA=cosθ\displaystyle \frac{A_\alpha}A=\cos\theta의 최댓값은 41310\displaystyle \frac4{13}\sqrt{10}이다.

(다른 풀이) 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식은 (cost)y+(sint)z=0\displaystyle (\cos t)y+(\sin t)z=0이라 할 수 있고 따라서 (0,cost,sint)\displaystyle (0,\cos t,\sin t)α\displaystyle \alpha의 법선벡터로 택하자.평면 α\displaystyle \alpha와 원 C\displaystyle C를 포함하는 평면이 이루는 각을 θ(0θπ2)\displaystyle \theta\left(0\le\theta\le\frac\pi2\right)라 하면,AαA=cosθ=(0,cost,sint)(3,4,12)02+cos2t+sin2t32+42+122=4cost+12sint13=41013110cost+310sint=41013sinβcost+cosβsint=41013sin(β+t)41310\displaystyle \begin{aligned}\frac{A_\alpha}A=\cos\theta&=\frac{|(0,\cos t,\sin t)\cdot(3,4,12)|}{\sqrt{0^2+\cos^2t+\sin^2t}\sqrt{3^2+4^2+12^2}}=\frac{|4\cos t+12\sin t|}{13}\\&=\frac{4\sqrt{10}}{13}\left|\frac1{\sqrt{10}}\cos t+\frac3{\sqrt{10}}\sin t\right|\\&=\frac{4\sqrt{10}}{13}|\sin\beta\cos t+\cos\beta\sin t|=\frac{4\sqrt{10}}{13}|\sin(\beta+t)|\le\frac4{13}\sqrt{10}\end{aligned}(단, β\displaystyle \betasinβ=110, cosβ=310\displaystyle \sin\beta=\frac1{\sqrt{10}},\ \cos\beta=\frac3{\sqrt{10}}을 만족한다.) 따라서 AαA\displaystyle \frac{A_\alpha}A의 최댓값은 41310\displaystyle \frac4{13}\sqrt{10}이다.

3. 원이 놓여 있는 평면의 단위 법선벡터를 (a,b,c)\displaystyle (a,b,c)라 하자. (a2+b2+c2=1\displaystyle a^2+b^2+c^2=1이다.) 원의 xy\displaystyle xy-평면 위로의 정사영의 넓이=6π=(0,0,1)(a,b,c)02+02+12a2+b2+c2102π=c10π\displaystyle =6\pi=\frac{|(0,0,1)\cdot(a,b,c)|}{\sqrt{0^2+0^2+1^2}\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\cdot\sqrt{10}^{\,2}\pi=|c|\cdot10\pi이다. 따라서 c=35\displaystyle |c|=\frac35이고, a2+b2=1c2=1625\displaystyle a^2+b^2=1-c^2=\frac{16}{25}이다.

a²+b²=16/25인 원에 접하는 두 직선

원의 평면 3xy=1\displaystyle 3x-y=1위로의 정사영의 넓이=(3,1,0)(a,b,c)32+(1)2+02a2+b2+c2π(10)2=10π3ab\displaystyle =\frac{|(3,-1,0)\cdot(a,b,c)|}{\sqrt{3^2+(-1)^2+0^2}\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\cdot\pi(\sqrt{10})^2=\sqrt{10}\pi|3a-b|이다.3ab=k\displaystyle |3a-b|=k라 하면, a,b\displaystyle a,ba2+b2=1625=(45)2\displaystyle a^2+b^2=\frac{16}{25}=\left(\frac45\right)^2을 만족하므로,k\displaystyle k의 최대값은 4510\displaystyle \frac45\sqrt{10}이다.따라서 구하는 정사영의 넓이의 최대값은 10π4510=8π\displaystyle \sqrt{10}\pi\cdot\frac45\sqrt{10}=8\pi이다.

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