수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

제시문 2

(가) 중심이 O\displaystyle O인 구에 대하여, 이 구를 평면으로 자를 때 생기는 단면은 원이다. 이 원의 중심은 구의 중심 O\displaystyle O에서 이 평면에 내린 수선의 발과 같다. 한편, 이 구 내부의 점 H (≠O)\displaystyle H\ (\ne O)에 대하여 점 H\displaystyle H를 지나고 OH→\displaystyle \overrightarrow{OH}에 수직인 평면이 유일하다. 그러므로 구 내부의 중심이 아닌 점 H\displaystyle H에 대하여, 그 단면이 중심이 H\displaystyle H인 원이 되도록 구를 자르는 평면은 오직 하나만 있다.

구의 중심 O에서 평면 위의 원의 중심 H로 내린 수선

(나) 다음의 [그림 2-2]는 반지름이 3인 구를 평면으로 자를 때 나타나는 단면인 원들을 그린 것으로서 이 두 원 α\displaystyle \alpha, β\displaystyle \beta는 반지름이 각각 1과 2이고 오직 한 점에서 만난다.

반지름 3인 구와 두 평면이 만나 생기는 반지름 1, 2의 두 원

[문제 2-1]중심이 원점 O\displaystyle O이고 반지름이 3인 구를 평면으로 자를 때 나타나는 원으로서 중심의 좌표가 (1,1,0)\displaystyle (1,1,0)인 원을 원 O1\displaystyle O_1, 또 중심의 좌표가 (0,1,1)\displaystyle (0,1,1)인 원을 O2\displaystyle O_2라 할 때 두 원 O1\displaystyle O_1, O2\displaystyle O_2의 교점이 P,Q\displaystyle P,Q이다. 선분 PQ\displaystyle PQ의 길이를 구하되 풀이과정도 함께 쓰시오.

[문제 2-2](나) 의 [그림 2-2]에서 원 α\displaystyle \alpha를 만드는 평면과 원 β\displaystyle \beta를 만드는 두 평면이 이루는 이면각의 크기가 θ\displaystyle \theta이다. cos⁡θ\displaystyle \cos\theta의 값을 구하되 풀이과정도 함께 쓰시오.

해설강의 준비중

[문제 2-1]

중심이 (1,1,0)\displaystyle (1,1,0)인 원을 포함하는 평면은 법선벡터가 (1,1,0)\displaystyle (1,1,0)이고 점 (1,1,0)\displaystyle (1,1,0)을 포함한다. 따라서 이 평면의 방정식은 1(x−1)+1(y−1)=0\displaystyle 1(x-1)+1(y-1)=0이다. 마찬가지로 하면, 중심이 (0,1,1)\displaystyle (0,1,1)인 원을 포함하는 평면의 방정식은 1(y−1)+1(z−1)=0\displaystyle 1(y-1)+1(z-1)=0이다.

두 원의 교점은 평면 1(x−1)+1(y−1)=0\displaystyle 1(x-1)+1(y-1)=0과 1(y−1)+1(z−1)=0\displaystyle 1(y-1)+1(z-1)=0의 교선 위에 있으므로 교점 P\displaystyle P, Q\displaystyle Q는 두 평면의 교선 l:x−1=−(y−1)=z−1\displaystyle l:x-1=-(y-1)=z-1 위에 있다. 교선 l\displaystyle l과 구 x2+y2+z2=9\displaystyle x^2+y^2+z^2=9의 교점이 P\displaystyle P, Q\displaystyle Q이므로 방정식 x−1=−(y−1)=z−1\displaystyle x-1=-(y-1)=z-1과 x2+y2+z2=9\displaystyle x^2+y^2+z^2=9을 연립하여 풀면 P\displaystyle P, Q\displaystyle Q는 점 (2+193,4−193,2+193)\displaystyle \left(\frac{2+\sqrt{19}}3,\frac{4-\sqrt{19}}3,\frac{2+\sqrt{19}}3\right)과 (2−193,4+193,2−193)\displaystyle \left(\frac{2-\sqrt{19}}3,\frac{4+\sqrt{19}}3,\frac{2-\sqrt{19}}3\right)이다. 그러므로 선분 PQ\displaystyle PQ의 길이는 763\displaystyle \sqrt{\frac{76}3}이다.

[문제 2-2]

평면 α\displaystyle \alpha위의 원과 β\displaystyle \beta위의 원의 중심을 각각 O1\displaystyle O_1, O2\displaystyle O_2라 하고 두 원의 교점을 P\displaystyle P, 두 평면 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta의 교선을 l\displaystyle l이라 하자.

평면 α\displaystyle \alpha에서 직선 l\displaystyle l과 주어진 원은 점 P\displaystyle P에서만 만나므로 원의 중심 O1\displaystyle O_1과 점 P\displaystyle P를 연결한 직선은 l\displaystyle l에 수직이다. 원의 중심 O1\displaystyle O_1이 점 O\displaystyle O에서 평면 α\displaystyle \alpha에 내린 수선의 발이므로 삼수선의 정리에 의하여 직선 OP\displaystyle OP는 l\displaystyle l에 수직이다. 직선 O2P\displaystyle O_2P도 l\displaystyle l에 수직이므로 점 O\displaystyle O, O1\displaystyle O_1, O2\displaystyle O_2, P\displaystyle P는 같은 평면 위에 있다.

따라서 ∠O1PO2=∠O1PO−∠O2PO\displaystyle \angle O_1PO_2=\angle O_1PO-\angle O_2PO이다.

한 평면 위의 O, O₁, O₂, P와 길이 1, 2, 3

∠O1PO=θ1\displaystyle \angle O_1PO=\theta_1, ∠OPO2=θ2\displaystyle \angle OPO_2=\theta_2라 하면, cos⁡θ1=13\displaystyle \cos\theta_1=\frac13, cos⁡θ2=12\displaystyle \cos\theta_2=\frac12이다.Correction. cos⁡θ2=1/2\displaystyle \cos\theta_2=1/2은 cos⁡θ2=2/3\displaystyle \cos\theta_2=2/3의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

∠O1PO2\displaystyle \angle O_1PO_2가 두 평면 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta의 이면각이므로 cos⁡θ=cos⁡(θ1−θ2)=cos⁡θ1cos⁡θ2+sin⁡θ1sin⁡θ2=2+2109\displaystyle \cos\theta=\cos(\theta_1-\theta_2)=\cos\theta_1\cos\theta_2+\sin\theta_1\sin\theta_2=\frac{2+2\sqrt{10}}9이다.

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