수리논술, 이게 다다.

의·약학계 1번

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문제

[가] 평면 α\displaystyle \alpha 위에 있지 않은 한 점 P, 평면 α\displaystyle \alpha 위의 한 점 O, 점 O를 지나지 않고 평면 α\displaystyle \alpha 위에 있는 한 직선 l\displaystyle l, 직선 l\displaystyle l 위의 한 점 H에 대하여(1) PO‾⊥α, OH‾⊥l\displaystyle \overline{\mathrm{PO}}\perp\alpha,\ \overline{\mathrm{OH}}\perp l이면 PH‾⊥l\displaystyle \overline{\mathrm{PH}}\perp l(2) PO‾⊥α, PH‾⊥l\displaystyle \overline{\mathrm{PO}}\perp\alpha,\ \overline{\mathrm{PH}}\perp l이면 OH‾⊥l\displaystyle \overline{\mathrm{OH}}\perp l(3) PH‾⊥l, OH‾⊥l, PO‾⊥OH‾\displaystyle \overline{\mathrm{PH}}\perp l,\ \overline{\mathrm{OH}}\perp l,\ \overline{\mathrm{PO}}\perp\overline{\mathrm{OH}}이면 PO‾⊥α\displaystyle \overline{\mathrm{PO}}\perp\alpha

[논제 Ⅰ] 제시문 [가]를 참고하여 다음 논제에 답하시오.직사각형 모양의 종이의 네 꼭짓점 A,B,C,D에 대하여 AB‾=2, AD‾=23\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=2,\ \overline{\mathrm{AD}}=2\sqrt3이다. 다음 그림과 같이 선분 AD의 중점을 E라고 하고, 선분 EB와 선분 EC를 접어서 두 선분 AE와 DE가 맞닿도록 하자. 두 점 A와 D가 만나는 점을 P라고 할 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 종이의 두께는 생각하지 않는다.)

직사각형 종이를 선분 EB, EC를 따라 접어 만든 사면체 PEBC

(1) 평면 PEB와 평면 EBC가 이루는 각의 크기를 θ\displaystyle \theta라 하자. cos⁡θ\displaystyle \cos\theta의 값을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (14점)

(2) 삼각형 PBC의 넓이와 사면체 PEBC의 부피를 구하고, 그 근거를 논술하시오. (14점)

해설강의 준비중

심화 종이접기와 이면각

관련 개념강의 준비중
+6점 · 점 P에서 선분 EB와 평면 EBC에 내린 수선의 발을 각각 H와 O라 할 때, cos⁡θ=HO‾PH‾\displaystyle \cos\theta=\frac{\overline{\mathrm{HO}}}{\overline{\mathrm{PH}}}임을 확인한다.

(1) 점 E는 선분 AD의 중점이므로 AE‾=ED‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{AE}}=\overline{\mathrm{ED}}=\sqrt3이고, 직각삼각형 ABE에서 BE‾=7\displaystyle \overline{\mathrm{BE}}=\sqrt7이다. 또한 직사각형 ABCD를 접은 이후 점 A=D=P\displaystyle \mathrm A=\mathrm D=\mathrm P이므로, PB‾=PC‾=2\displaystyle \overline{\mathrm{PB}}=\overline{\mathrm{PC}}=2이고, PE‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{PE}}=\sqrt3이다.점 P에서 선분 EB와 평면 EBC에 내린 수선의 발을 각각 H와 O라고 하자. PH‾⊥EB‾\displaystyle \overline{\mathrm{PH}}\perp\overline{\mathrm{EB}}이고, 선분 PO와 평면 EBC는 수직이므로 삼수선의 정리에 따라 HO‾⊥EB‾\displaystyle \overline{\mathrm{HO}}\perp\overline{\mathrm{EB}}이다. 직각삼각형 POH에서 cos⁡θ=HO‾PH‾\displaystyle \cos\theta=\frac{\overline{\mathrm{HO}}}{\overline{\mathrm{PH}}}이다.

+8점 · cos⁡θ=34\displaystyle \cos\theta=\frac34을 계산한다.

한편, 삼각형 AEO와 삼각형 BAE는 서로 닮음이므로 AE‾:EO‾=BA‾:AE‾\displaystyle \overline{\mathrm{AE}}:\overline{\mathrm{EO}}=\overline{\mathrm{BA}}:\overline{\mathrm{AE}}에서 EO‾=32\displaystyle \overline{\mathrm{EO}}=\frac32이고, 삼각형 AHB와 삼각형 OHE는 서로 닮음이므로 AB‾:AH‾=EO‾:HO‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}:\overline{\mathrm{AH}}=\overline{\mathrm{EO}}:\overline{\mathrm{HO}}에서 HO‾AH‾=34\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{HO}}}{\overline{\mathrm{AH}}}=\frac34이다. 이때 cos⁡θ=HO‾PH‾\displaystyle \cos\theta=\frac{\overline{\mathrm{HO}}}{\overline{\mathrm{PH}}}에서 PH‾=AH‾\displaystyle \overline{\mathrm{PH}}=\overline{\mathrm{AH}}이므로 cos⁡θ=34\displaystyle \cos\theta=\frac34

사면체 PEBC와 수선의 발 H, O, E′
+7점 · 삼각형 PBC의 넓이를 구한다.

(2) 삼각형 PBC의 넓이:선분 BC의 중점을 E′\displaystyle \mathrm E^{\prime}이라고 하면 E′C‾=3\displaystyle \overline{\mathrm E^{\prime}C}=\sqrt3이고, 점 E′\displaystyle \mathrm E^{\prime}은 점 P에서 선분 BC에 내린 수선의 발이다. PC‾=2\displaystyle \overline{\mathrm{PC}}=2이므로, 직각삼각형 PE′C\displaystyle \mathrm{PE}^{\prime}\mathrm C에서 PE′‾=1\displaystyle \overline{\mathrm{PE}^{\prime}}=1이다. 따라서△PBC=12BC‾×PE′‾=3\displaystyle \triangle\mathrm{PBC}=\frac12\overline{\mathrm{BC}}\times\overline{\mathrm{PE}^{\prime}}=\sqrt3

+7점 · 사면체 PEBC의 부피를 구한다.

사면체 PEBC의 부피:직각삼각형 ABE에서 AB‾×AE‾=AH‾×BE‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}\times\overline{\mathrm{AE}}=\overline{\mathrm{AH}}\times\overline{\mathrm{BE}}이므로 AH‾=PH‾=237\displaystyle \overline{\mathrm{AH}}=\overline{\mathrm{PH}}=\frac{2\sqrt3}{\sqrt7}이고, (1)의 결과를 이용하여 sin⁡θ=1−cos⁡2θ=74\displaystyle \sin\theta=\sqrt{1-\cos^2\theta}=\frac{\sqrt7}4로부터 PO‾=PH‾sin⁡θ=32\displaystyle \overline{\mathrm{PO}}=\overline{\mathrm{PH}}\sin\theta=\frac{\sqrt3}2이다. △EBC=23\displaystyle \triangle\mathrm{EBC}=2\sqrt3이므로, 사면체 PEBC의 부피 V\displaystyle V는V=13×△EBC×PO‾=1\displaystyle V=\frac13\times\triangle\mathrm{EBC}\times\overline{\mathrm{PO}}=1

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