수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

※ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

[라] 평면 β\displaystyle \beta 위에 있는 도형의 넓이를 S\displaystyle S, 이 도형의 평면 α\displaystyle \alpha 위로의 정사영의 넓이를 S′\displaystyle S^{\prime}이라고 할 때, 두 평면 α,β\displaystyle \alpha,\beta가 이루는 각의 크기를 θ (0∘≤θ≤90∘)\displaystyle \theta\ (0^\circ\le\theta\le90^\circ)라고 하면S′=Scos⁡θ\displaystyle S^{\prime}=S\cos\theta

[논제 Ⅲ] 아래 그림과 같이 평면 α\displaystyle \alpha 위에 반지름이 각각 1, 2, 3이고, 중심이 각각 O1, O2, O3\displaystyle \mathrm O_1,\ \mathrm O_2,\ \mathrm O_3인 구가 서로 접해있다. 다음 물음에 답하시오.

평면 α 위에 놓인 반지름 1, 2, 3의 세 구

(1) 점 O1, O2, O3\displaystyle \mathrm O_1,\ \mathrm O_2,\ \mathrm O_3가 이루는 평면을 β\displaystyle \beta라 하자. 평면 α\displaystyle \alpha와 평면 β\displaystyle \beta의 이면각을 θ\displaystyle \theta라 할 때, cos⁡θ\displaystyle \cos\theta의 값을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (15점)

(2) 점 O1\displaystyle \mathrm O_1과 O2\displaystyle \mathrm O_2를 지나는 직선이 평면 α\displaystyle \alpha와 만나는 점을 A\displaystyle \mathrm A, 점 O2\displaystyle \mathrm O_2와 점 O3\displaystyle \mathrm O_3를 지나는 직선이 평면 α\displaystyle \alpha와 만나는 점을 B\displaystyle \mathrm B, 점 O3\displaystyle \mathrm O_3에서 α\displaystyle \alpha에 내린 수선의 발을 P3\displaystyle \mathrm P_3라 하자. 이때, 삼각형 O3AB\displaystyle \mathrm O_3AB의 넓이를 S1\displaystyle S_1, 삼각형 P3AO2\displaystyle \mathrm P_3AO_2의 넓이를 S2\displaystyle S_2라 할 때 S2S1\displaystyle \frac{S_2}{S_1}의 값을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (22점)

+4점 · 삼각형 O1O2O3\displaystyle \mathrm O_1O_2O_3의 넓이를 구한다

(1) O1O2‾=3,O1O3‾=4,O2O3‾=5\displaystyle \overline{\mathrm O_1O_2}=3,\overline{\mathrm O_1O_3}=4,\overline{\mathrm O_2O_3}=5이므로 삼각형 O1O2O3\displaystyle \mathrm O_1O_2O_3는 직각삼각형이다. 따라서 △O1O2O3=12×3×4=6\displaystyle \triangle\mathrm O_1O_2O_3=\frac12\times3\times4=6이다.

+6점 · 삼각형 P1P2P3\displaystyle \mathrm P_1P_2P_3의 넓이를 구한다

점 O1,O2,O3\displaystyle \mathrm O_1,\mathrm O_2,\mathrm O_3에서 평면 α\displaystyle \alpha에 내린 수선의 발을 각각 P1,P2,P3\displaystyle \mathrm P_1,\mathrm P_2,\mathrm P_3라 하면, P1P2‾=22,P2P3‾=26,P1P3‾=23\displaystyle \overline{\mathrm P_1P_2}=2\sqrt2,\overline{\mathrm P_2P_3}=2\sqrt6,\overline{\mathrm P_1P_3}=2\sqrt3이다. 한편, 코사인법칙에 의해,cos⁡∠P2P1P3=8+12−242×22×23=−126\displaystyle \cos\angle\mathrm P_2P_1P_3=\frac{8+12-24}{2\times2\sqrt2\times2\sqrt3}=-\frac1{2\sqrt6}따라서, sin⁡∠P2P1P3=2326\displaystyle \sin\angle\mathrm P_2P_1P_3=\frac{\sqrt{23}}{2\sqrt6}이며, 그러므로 △P1P2P3=12×22×23×2326=23\displaystyle \triangle\mathrm P_1P_2P_3=\frac12\times2\sqrt2\times2\sqrt3\times\frac{\sqrt{23}}{2\sqrt6}=\sqrt{23}이고,

+5점 · 정사영의 성질을 이용하여 cos⁡θ=△P1P2P3△O1O2O3\displaystyle \cos\theta=\frac{\triangle\mathrm P_1P_2P_3}{\triangle\mathrm O_1O_2O_3}임을 파악한다

cos⁡θ=△P1P2P3△O1O2O3=236\displaystyle \cos\theta=\frac{\triangle\mathrm P_1P_2P_3}{\triangle\mathrm O_1O_2O_3}=\frac{\sqrt{23}}6

+10점 · 삼각형 O3AB\displaystyle \mathrm O_3AB의 넓이를 구한다

(2) 삼각형 O2P2A\displaystyle \mathrm O_2P_2A와 삼각형 O1P1A\displaystyle \mathrm O_1P_1A는 서로 닮음이고, 닮음비가 2:1\displaystyle 2:1이며, O1O2‾=3\displaystyle \overline{\mathrm O_1O_2}=3이므로, AO2‾=6\displaystyle \overline{\mathrm AO_2}=6이다. 또한, 삼각형 O3P3B\displaystyle \mathrm O_3P_3B과 삼각형 O2P2B\displaystyle \mathrm O_2P_2B은 서로 닮음이고, 닮음비가 3:2\displaystyle 3:2이며, O3O2‾=5\displaystyle \overline{\mathrm O_3O_2}=5이므로, BO2‾=10\displaystyle \overline{\mathrm BO_2}=10이다. 삼각형 O1O2O3\displaystyle \mathrm O_1O_2O_3는 직각삼각형이므로,cos⁡∠AO2B=cos⁡(π−∠O3O2O1)=−35\displaystyle \cos\angle\mathrm AO_2B=\cos(\pi-\angle\mathrm O_3O_2O_1)=-\frac35이고, AB‾2=100+36−2×10×6×(−35)=208\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}^2=100+36-2\times10\times6\times\left(-\frac35\right)=208, 즉 AB‾=413\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=4\sqrt{13}이다. 한편, O3\displaystyle \mathrm O_3에서 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}에 내린 수선의 발을 H\displaystyle \mathrm H라 하면, sin⁡θ=O3P3‾O3H‾\displaystyle \sin\theta=\frac{\overline{\mathrm O_3P_3}}{\overline{\mathrm O_3H}}이고,sin⁡θ=1−cos⁡2θ=136\displaystyle \sin\theta=\sqrt{1-\cos^2\theta}=\frac{\sqrt{13}}6이므로, O3H‾=1813\displaystyle \overline{\mathrm O_3H}=\frac{18}{\sqrt{13}}이다.따라서, S1=△O3AB=12×413×1813=36\displaystyle S_1=\triangle\mathrm O_3AB=\frac12\times4\sqrt{13}\times\frac{18}{\sqrt{13}}=36이다.

+12점 · 삼각형 P3AO2\displaystyle \mathrm P_3AO_2의 넓이를 구한다

한편, 삼각형 P1P2P3\displaystyle \mathrm P_1P_2P_3의 넓이가 23\displaystyle \sqrt{23}이고 P1P2‾=22\displaystyle \overline{\mathrm P_1P_2}=2\sqrt2이므로, P3\displaystyle \mathrm P_3에서 선분 AP2\displaystyle \mathrm{AP}_2까지의 거리는 462\displaystyle \frac{\sqrt{46}}2이다. 또한, AP2‾=AO2‾2−O2P2‾2=36−4=42\displaystyle \overline{\mathrm{AP}_2}=\sqrt{\overline{\mathrm{AO}_2}^2-\overline{\mathrm O_2P_2}^2}=\sqrt{36-4}=4\sqrt2이므로, △P3AP2=12×42×462=223\displaystyle \triangle\mathrm P_3AP_2=\frac12\times4\sqrt2\times\frac{\sqrt{46}}2=2\sqrt{23}이다. 한편, 삼각형 O3AO2\displaystyle \mathrm O_3AO_2에서 AO2‾=6, O3O2‾=5, cos⁡∠O3O2A=35\displaystyle \overline{\mathrm{AO}_2}=6,\ \overline{\mathrm O_3O_2}=5,\ \cos\angle\mathrm O_3O_2A=\frac35이므로, AO3‾2=25+36−2×5×6×35=25\displaystyle \overline{\mathrm{AO}_3}^2=25+36-2\times5\times6\times\frac35=25, 즉 AO3‾=5\displaystyle \overline{\mathrm{AO}_3}=5이고, 피타고라스 정리에 의해 AP3‾=4\displaystyle \overline{\mathrm{AP}_3}=4이다. 그러므로, 점 P2\displaystyle \mathrm P_2에서 선분 AP3\displaystyle \mathrm{AP}_3에 내린 수선의 발을 H′\displaystyle \mathrm H^{\prime}이라 하면, 12×P2H′‾×4=223\displaystyle \frac12\times\overline{\mathrm P_2H^{\prime}}\times4=2\sqrt{23}이고, 따라서 P2H′‾=23\displaystyle \overline{\mathrm P_2H^{\prime}}=\sqrt{23}이다. 이제, 삼수선의 정리에 따라 O2H′‾⊥AP3‾\displaystyle \overline{\mathrm O_2H^{\prime}}\perp\overline{\mathrm{AP}_3}이므로, O2H′‾=O2P2‾2+P2H′‾2=4+23=33\displaystyle \overline{\mathrm O_2H^{\prime}}=\sqrt{\overline{\mathrm O_2P_2}^2+\overline{\mathrm P_2H^{\prime}}^2}=\sqrt{4+23}=3\sqrt3이고, 따라서 S2=△P3AO2=12×4×33=63\displaystyle S_2=\triangle\mathrm P_3AO_2=\frac12\times4\times3\sqrt3=6\sqrt3이다. 그러므로, S2S1=6336=36\displaystyle \frac{S_2}{S_1}=\frac{6\sqrt3}{36}=\frac{\sqrt3}6

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