수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

(가) (삼수선의 정리) 평면 α\displaystyle \alpha 위에 있지 않은 한 점 P\displaystyle P와 평면 α\displaystyle \alpha 위의 직선 ℓ\displaystyle \ell, 직선 ℓ\displaystyle \ell 위의 한 점 H\displaystyle H, 평면 α\displaystyle \alpha 위에 있으면서 직선 ℓ\displaystyle \ell 위에 있지 않은 점 O\displaystyle O에 대하여 다음이 성립한다.(1) PO‾⊥α,  OH‾⊥ℓ\displaystyle \overline{PO}\perp\alpha,\;\overline{OH}\perp\ell이면 PH‾⊥ℓ\displaystyle \overline{PH}\perp\ell(2) PO‾⊥α,  PH‾⊥ℓ\displaystyle \overline{PO}\perp\alpha,\;\overline{PH}\perp\ell이면 OH‾⊥ℓ\displaystyle \overline{OH}\perp\ell(3) PH‾⊥ℓ,  OH‾⊥ℓ,  PO‾⊥OH‾\displaystyle \overline{PH}\perp\ell,\;\overline{OH}\perp\ell,\;\overline{PO}\perp\overline{OH}이면 PO‾⊥α\displaystyle \overline{PO}\perp\alpha

(나) 좌표공간의 사면체 ABCD\displaystyle ABCD의 네 꼭짓점 A,B,C,D\displaystyle A,B,C,D를 모두 지나는 구를 사면체 ABCD\displaystyle ABCD에 외접하는 구라고 한다. 사면체 ABCD\displaystyle ABCD의 네 면과 접하는 구를 사면체 ABCD\displaystyle ABCD에 내접하는 구라고 한다. 사면체 ABCD\displaystyle ABCD의 내접하는 구의 중심을 I\displaystyle I라고 하면, 점 I\displaystyle I는 사면체 ABCD\displaystyle ABCD의 내부에 위치하고, I\displaystyle I에서 사면체 ABCD\displaystyle ABCD의 네 면에 각각 내린 수선의 길이는 내접하는 구의 반지름과 같다.

(*) 좌표공간 위의 세 점 A,B,C\displaystyle A,B,C와 평면 ABC\displaystyle ABC 위에 있지 않은 점 D\displaystyle D를 꼭짓점으로 갖는 사면체 ABCD\displaystyle ABCD에 내접하는 구의 중심을 I\displaystyle I, 외접하는 구의 중심을 G\displaystyle G라고 하자.

(2-1) A,B,C\displaystyle A,B,C의 좌표가 각각 (0,0,0)\displaystyle (0,0,0), (6,0,0)\displaystyle (6,0,0), (2,4,0)\displaystyle (2,4,0)일 때, G\displaystyle G에서 xy\displaystyle xy평면에 내린 수선의 발의 좌표를 구하시오.

(2-2) 사면체 ABCD\displaystyle ABCD에 내접하는 구의 반지름이 r\displaystyle r이고 I\displaystyle I에서 변 AB\displaystyle AB에 내린 수선의 길이가 k\displaystyle k일 때, I\displaystyle I에서 평면 ABC\displaystyle ABC와 평면 ABD\displaystyle ABD에 내린 수선의 발을 각각 H,H′\displaystyle H,H^\prime이라고 하자. 선분 HH′\displaystyle HH^\prime의 길이를 k,r\displaystyle k,r의 식으로 나타내시오.

(2-3) 사면체 ABCD\displaystyle ABCD의 변 BC,CA,AB\displaystyle BC,CA,AB의 길이를 각각 a,b,c\displaystyle a,b,c라 하자. I\displaystyle I와 G\displaystyle G가 일치할 때, 변 AD,BD,CD\displaystyle AD,BD,CD의 길이를 각각 a,b,c\displaystyle a,b,c의 식으로 나타내시오.

해설강의 준비중
+5점 · 수선의 발이 삼각형 ABC\displaystyle ABC의 외심이라는 것을 파악하면

(2-1) G\displaystyle G에서 평면 ABC\displaystyle ABC (즉 xy\displaystyle xy평면)에 내린 수선의 발을 H\displaystyle H라고 하면, GA‾=GB‾=GC‾\displaystyle \overline{GA}=\overline{GB}=\overline{GC}에서 HA‾=HB‾=HC‾=GA‾2−GH‾2\displaystyle \overline{HA}=\overline{HB}=\overline{HC}=\sqrt{\overline{GA}^2-\overline{GH}^2}이므로 H\displaystyle H는 삼각형 ABC\displaystyle ABC의 외심이다

+5점 · 외심이 두 변의 수직이등분선의 교점이라는 것을 이용해서 또는 다른 방법으로 수선의 발의 좌표를 정확히 구하면

점 H\displaystyle H는 xy\displaystyle xy평면에서 두 변 AB\displaystyle AB와 AC\displaystyle AC의 수직이등분선 y=3\displaystyle y=3과 y−2=−12(x−1)\displaystyle y-2=-\frac12(x-1)의 교점이므로 좌표는 (3,1,0)\displaystyle (3,1,0)이다.Correction. 변 AB\displaystyle AB의 수직이등분선은 y=3\displaystyle y=3이 아니라 x=3\displaystyle x=3이다. 두 직선의 교점 (3,1,0)\displaystyle (3,1,0)은 맞다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+5점 · 네 점 I,H,H′,P\displaystyle I,H,H^\prime,P가 한 평면에 있다는 것을 찾아내면

(2-2) I\displaystyle I에서 변 AB\displaystyle AB에 내린 수선의 발을 P\displaystyle P라고 하면, 삼수선의 정리에서 H\displaystyle H와 H′\displaystyle H^\prime에서 변 AB\displaystyle AB에 내린 수선의 발도 P\displaystyle P이다. 또한 네 점 I,H,H′,P\displaystyle I,H,H^\prime,P는 BC\displaystyle BC에 수직이고 점 P\displaystyle P를 지나는 평면위에 있다.Correction. 네 점이 속하는 평면은 BC\displaystyle BC가 아니라 AB\displaystyle AB에 수직이다. IP\displaystyle IP, HP\displaystyle HP, H′P\displaystyle H^\prime P가 모두 AB\displaystyle AB에 수직이라는 삼수선의 정리를 적용한 결과다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+5점 · HH′‾\displaystyle \overline{HH^\prime}을 계산하면

IH‾=IH′‾=r\displaystyle \overline{IH}=\overline{IH^\prime}=r이고 IP‾=k\displaystyle \overline{IP}=k이고 두 직각삼각형 IHP\displaystyle IHP와 IH′P\displaystyle IH^\prime P는 합동 (RHS합동)이므로, HH′‾\displaystyle \overline{HH^\prime}의 길이는 직각삼각형 IHP\displaystyle IHP의 꼭짓점 H\displaystyle H에서 빗변 IP\displaystyle IP에 내린 수선의 길이 rk2−r2k\displaystyle \frac{r\sqrt{k^2-r^2}}k의 2배이다. HH′‾=2rk2−r2k\displaystyle \overline{HH^\prime}=\frac{2r\sqrt{k^2-r^2}}k.

+7점 · 내심(=외심)에서 4면에 내린 수선의 발과 각 꼭짓점으로 이루어진 12개의 이등변삼각형 중에서 4면체의 변을 공유하는 쌍들이 합동임을 삼수선의 정리로부터 알아내면

(2-3) I(=G)\displaystyle I(=G)에서 네 면 ABC,BCD,CAD,ABD\displaystyle ABC,BCD,CAD,ABD에 내린 수선의 발을 각각 H,J,K,L\displaystyle H,J,K,L이라고 하자.(2-1)과 (2-2)에서와 같은 논리에 의하여 6쌍의 이등변 삼각형 JBC\displaystyle JBC와 HBC\displaystyle HBC, KCA\displaystyle KCA와 HCA\displaystyle HCA, LAB\displaystyle LAB와 HAB\displaystyle HAB, KCD\displaystyle KCD와 JCD\displaystyle JCD, JBD\displaystyle JBD와 LBD\displaystyle LBD, LAD\displaystyle LAD와 KAD\displaystyle KAD는 서로 합동이다.

+8점 · 각 또는 다른 방법을 이용해서 AD‾=a,BD‾=b,CD‾=c\displaystyle \overline{AD}=a,\overline{BD}=b,\overline{CD}=c임을 알아내면

∠ALD=∠AKD=α\displaystyle \angle ALD=\angle AKD=\alpha, ∠BJD=∠BLD=β\displaystyle \angle BJD=\angle BLD=\beta, ∠CKD=∠CJD=γ\displaystyle \angle CKD=\angle CJD=\gamma라고 하면, ∠BHC=2π−β−γ\displaystyle \angle BHC=2\pi-\beta-\gamma, ∠CHA=2π−γ−α\displaystyle \angle CHA=2\pi-\gamma-\alpha, ∠AHB=2π−α−β\displaystyle \angle AHB=2\pi-\alpha-\beta이고 세 각의 합은 2π\displaystyle 2\pi이므로 α+β+γ=2π\displaystyle \alpha+\beta+\gamma=2\pi이다. 따라서 ∠BHC=α\displaystyle \angle BHC=\alpha, ∠CHA=β\displaystyle \angle CHA=\beta, ∠AHB=γ\displaystyle \angle AHB=\gamma이고 삼각형 HBC\displaystyle HBC와 LAD\displaystyle LAD, 삼각형 HCA\displaystyle HCA와 JBD\displaystyle JBD, 삼각형 HAB\displaystyle HAB와 KCD\displaystyle KCD는 각각 합동이다. 따라서 AD‾=a,BD‾=b,CD‾=c\displaystyle \overline{AD}=a,\overline{BD}=b,\overline{CD}=c이다.

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