수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

(가) 영벡터가 아닌 두 벡터 a⃗\displaystyle \vec a와 b⃗\displaystyle \vec b가 이루는 각의 크기가 θ\displaystyle \theta일 때, ∣a⃗∣∣b⃗∣cos⁡θ\displaystyle |\vec a||\vec b|\cos\theta를 a⃗\displaystyle \vec a와 b⃗\displaystyle \vec b의 내적이라고 하고 기호로 a⃗⋅b⃗\displaystyle \vec a\cdot\vec b와 같이 나타낸다.

(나) 좌표공간에서 영벡터가 아닌 벡터 n⃗\displaystyle \vec n에 수직이고 위치벡터가 a⃗\displaystyle \vec a인 점 A\displaystyle A를 지나는 평면의 방정식은n⃗⋅(x⃗−a⃗)=0\displaystyle \vec n\cdot(\vec x-\vec a)=0이다. 이때, n⃗\displaystyle \vec n을 평면의 법선벡터라고 한다.

(다) 좌표공간에서 두 점 A,B\displaystyle A,B의 위치벡터를 각각 a⃗,b⃗\displaystyle \vec a,\vec b라 할 때, 두 점 A,B\displaystyle A,B를 지름의 양 끝 점으로 하는 구의 방정식은(x⃗−a⃗)⋅(x⃗−b⃗)=0\displaystyle (\vec x-\vec a)\cdot(\vec x-\vec b)=0이다.

(※) 좌표공간에 서로 다른 두 점 P,Q\displaystyle P,Q가 주어졌다. 선분 PQ\displaystyle PQ를 3:1\displaystyle 3:1로 내분하는 점을 M\displaystyle M이라 하자. 부등식 XP→⋅XQ→≤0\displaystyle \overrightarrow{XP}\cdot\overrightarrow{XQ}\le0을 만족하는 점 X\displaystyle X의 집합을 A\displaystyle A라 하고, 등식 XM→⋅PQ→=0\displaystyle \overrightarrow{XM}\cdot\overrightarrow{PQ}=0을 만족하는 점 X\displaystyle X의 집합을 B\displaystyle B라 하자.

(3-1) B\displaystyle B에 의해 잘린 A\displaystyle A의 두 부분의 부피의 비를 구하시오. (10점)

(3-2) PQ→=(1,2,2)\displaystyle \overrightarrow{PQ}=(1,2,2)일 때, A∩B\displaystyle A\cap B의 xy\displaystyle xy평면 위로의 정사영의 넓이를 구하시오. (15점)

해설강의 준비중
10 · (3-1)

(3-1) (10점) 제시문 (다)에 의해 집합 A\displaystyle A는 서로 다른 두 점 P\displaystyle P와 Q\displaystyle Q를 지름의 양 끝점으로 하는 구와 그 내부이고, 제시문 (나)에 의해 집합 B\displaystyle B는 점 M\displaystyle M을 지나고 법선벡터가 PQ→\displaystyle \overrightarrow{PQ}인 평면이다. <그림 1>과 같이 B\displaystyle B에 의해 잘린 A\displaystyle A의 두 부분의 부피를 V1,V2\displaystyle V_1,V_2라 하자. 편의상 <그림2>와 같이 선분 PQ\displaystyle PQ의 길이를 4a\displaystyle 4a로 놓고 직선 PQ\displaystyle PQ를 x\displaystyle x축, 선분 PQ\displaystyle PQ의 중점을 xy\displaystyle xy평면의 원점 O\displaystyle O가 되도록 하자.

구의 두 부분과 회전체를 이루는 원의 영역

구하려는 두 부분의 부피 V1,V2\displaystyle V_1,V_2는 각각 <그림 2>에서 원의 일부분을 x\displaystyle x축 둘레로 회전시켜 생기는 회전체의 부피이다. 원의 식은 x2+y2=4a2\displaystyle x^2+y^2=4a^2로 주어지므로V1=π∫a2ay2 dx=π∫a2a(4a2−x2) dx=π[4a2x−13x3]a2a=53πa3\displaystyle V_1=\pi\int_a^{2a}y^2\,dx=\pi\int_a^{2a}(4a^2-x^2)\,dx=\pi\Biggl[4a^2x-\frac13x^3\Biggr]_a^{2a}=\frac53\pi a^3V2=43π(2a)3−V1=323πa3−53πa3=273πa3\displaystyle V_2=\frac43\pi(2a)^3-V_1=\frac{32}3\pi a^3-\frac53\pi a^3=\frac{27}3\pi a^3이다. 따라서 V1:V2=5:27\displaystyle V_1:V_2=5:27이다.

15 · (3-2)

(3-2) (15점) 먼저 A∩B\displaystyle A\cap B는 아래 그림과 같이 원판이다.

구와 평면의 교집합인 원판과 그 반지름

∣PQ→∣=3\displaystyle |\overrightarrow{PQ}|=3이므로 구의 반지름은 r=32\displaystyle r=\frac32이고 OM‾=34\displaystyle \overline{OM}=\frac34이다. 따라서 A∩B\displaystyle A\cap B의 반지름은 334\displaystyle \frac{3\sqrt3}4이고 A∩B\displaystyle A\cap B의 넓이는 2716π\displaystyle \frac{27}{16}\pi이다. 평면 A∩B\displaystyle A\cap B와 xy\displaystyle xy평면이 이루는 각을 θ\displaystyle \theta라 하면, 평면 A∩B\displaystyle A\cap B와 xy\displaystyle xy평면의 법선벡터가 각각 PQ→=(1,2,2)\displaystyle \overrightarrow{PQ}=(1,2,2)와 k⃗=(0,0,1)\displaystyle \vec k=(0,0,1)이므로cos⁡θ=PQ→⋅k⃗∣PQ→∣∣k⃗∣=23\displaystyle \cos\theta=\frac{\overrightarrow{PQ}\cdot\vec k}{|\overrightarrow{PQ}||\vec k|}=\frac23이다. 따라서 A∩B\displaystyle A\cap B의 xy\displaystyle xy평면으로의 정사영의 넓이는(A∩B의 넓이)×cos⁡θ=2716π×23=98π\displaystyle (A\cap B\text{의 넓이})\times\cos\theta=\frac{27}{16}\pi\times\frac23=\frac98\pi이다.

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