수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

제시문 1

(가) 평면 α\displaystyle \alpha와 평면 β\displaystyle \beta가 이루는 각이 θ\displaystyle \theta일 때, 넓이가 S\displaystyle S인 평면 α\displaystyle \alpha 위의 도형을 평면 β\displaystyle \beta로 정사영하여 얻은 도형의 넓이를 S′\displaystyle S^{\prime}이라 하면 S′=Scos⁡θ\displaystyle S^{\prime}=S\cos\theta이다.

(나) [그림 1]은 평면의 점 A(2,5),B(0,0),C(4,0),D(3,4)\displaystyle A(2,5),B(0,0),C(4,0),D(3,4)를 꼭짓점으로 갖는 사각형 ABCD\displaystyle ABCD를 나타낸 것이다. 점 P\displaystyle P는 사각형 ABCD\displaystyle ABCD 내부 또는 경계에서 움직인다.

(다) [그림 2]는 공간의 한 평면 위에 있는 점 E(−1,0,2),F(4,−2,−1),G(4,1,−4),H(0,1,0)\displaystyle E(-1,0,2),F(4,-2,-1),G(4,1,-4),H(0,1,0)을 꼭짓점으로 갖는 사각형 EFGH\displaystyle EFGH를 나타낸 것이다. 점 Q\displaystyle Q는 사각형 EFGH\displaystyle EFGH 내부 또는 경계에서 움직인다.

사각형 ABCD 내부의 점 P와 공간의 사각형 EFGH 내부의 점 Q

문제 1-1[그림 1]에서 PA‾=1\displaystyle \overline{PA}=1일 때, 삼각형 ADP\displaystyle ADP의 넓이와 삼각형 BCP\displaystyle BCP의 넓이의 합의 최솟값을 구하고 풀이 과정을 쓰시오.

문제 1-2[그림 2]에서 삼각형 EHQ\displaystyle EHQ의 넓이와 삼각형 GFQ\displaystyle GFQ의 넓이의 합이 53\displaystyle 5\sqrt3이 되는 점 Q\displaystyle Q의 모임은 선분이다. 이 선분의 길이를 구하고 풀이 과정을 쓰시오.

해설강의 준비중

[문제 1-1] 정답: 10−102\displaystyle 10-\frac{\sqrt{10}}2[풀이]

직선 AD\displaystyle AD의 방정식은 x+y−7=0\displaystyle x+y-7=0이므로 점 P(x,y)\displaystyle P(x,y)에서 직선 AD\displaystyle AD까지 거리는 ∣x+y−7∣12+12\displaystyle \frac{|x+y-7|}{\sqrt{1^2+1^2}}이다. 사각형 내부 또는 경계에서 x+y−7≤0\displaystyle x+y-7\le0 이고 AD‾=2\displaystyle \overline{AD}=\sqrt2이므로 삼각형 ADP\displaystyle ADP의 넓이는 12⋅2⋅7−x−y2=12(7−x−y)\displaystyle \frac12\cdot\sqrt2\cdot\frac{7-x-y}{\sqrt2}=\frac12(7-x-y)이다.

삼각형 BCP\displaystyle BCP의 넓이는 12⋅4⋅y=2y\displaystyle \frac12\cdot4\cdot y=2y이다. 따라서 삼각형 ADP\displaystyle ADP와 삼각형 BCP\displaystyle BCP의 넓이의 합을 k\displaystyle k라고 하면, k=12(7−x−y)+2y=12(7−x+3y)\displaystyle k=\frac12(7-x-y)+2y=\frac12(7-x+3y)이다. 따라서 점 P\displaystyle P의 좌표 (x,y)\displaystyle (x,y)는 직선의 방정식 x−3y−7+2k=0\displaystyle x-3y-7+2k=0을 만족한다.

또한, PA‾=1\displaystyle \overline{PA}=1이므로 점 P\displaystyle P의 좌표 (x,y)\displaystyle (x,y)는 (x−2)2+(y−5)2=1\displaystyle (x-2)^2+(y-5)^2=1을 만족한다.

따라서, 구하고자 하는 k\displaystyle k의 최솟값은 직선 x−3y−7+2k=0\displaystyle x-3y-7+2k=0이 원 (x−2)2+(y−5)2=1\displaystyle (x-2)^2+(y-5)^2=1과 만나게 하는 k\displaystyle k의 최솟값이다.

x−3y−7+2k=0\displaystyle x-3y-7+2k=0에서 x=3y+7−2k\displaystyle x=3y+7-2k이고 이것을 원의 방정식에 대입하여 (3y+7−2k−2)2+(y−5)2=1\displaystyle (3y+7-2k-2)^2+(y-5)^2=1을 얻는다. 즉, 10y2+(20−12k)y+4k2−20k+49=0\displaystyle 10y^2+(20-12k)y+4k^2-20k+49=0이다.

이 y\displaystyle y에 대한 이차방정식의 판별식이 0 이상일 때 실근을 갖는다.

판별식이 (20−12k)2−4⋅10⋅(4k2−20k+49)=4(−4k2+80k−390)\displaystyle (20-12k)^2-4\cdot10\cdot(4k^2-20k+49)=4(-4k^2+80k-390)이므로 −4k2+80k−390≥0\displaystyle -4k^2+80k-390\ge0일 때 실근을 갖는다.

이 k\displaystyle k에 대한 이차부등식을 풀면 10−102≤k≤10+102\displaystyle 10-\frac{\sqrt{10}}2\le k\le10+\frac{\sqrt{10}}2 이다. 따라서 k\displaystyle k의 최솟값은 10−102\displaystyle 10-\frac{\sqrt{10}}2이다.

[문제 1-2] 정답: 986\displaystyle \frac98\sqrt6[풀이]

사각형 EFGH\displaystyle EFGH를 포함하는 평면을 α\displaystyle \alpha라 하자. 점 E,F,G,H\displaystyle E,F,G,H를 이용하여 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식을 구하면 x+y+z=1\displaystyle x+y+z=1이다. 평면 α\displaystyle \alpha와 xy\displaystyle xy평면이 이루는 이면각을 θ\displaystyle \theta라 하고, 점 E,F,G,H,Q\displaystyle E,F,G,H,Q의 xy\displaystyle xy평면으로의 정사영을 각각 E′,F′,G′,H′,Q′\displaystyle E^{\prime},F^{\prime},G^{\prime},H^{\prime},Q^{\prime}이라 하자. cos⁡θ=(1,1,1)⋅(0,0,1)12+12+1212=13\displaystyle \cos\theta=\frac{(1,1,1)\cdot(0,0,1)}{\sqrt{1^2+1^2+1^2}\sqrt{1^2}}=\frac1{\sqrt3}이고, 삼각형 E′H′Q′\displaystyle E^{\prime}H^{\prime}Q^{\prime}와 삼각형 G′F′Q′\displaystyle G^{\prime}F^{\prime}Q^{\prime}의 넓이의 합을 S\displaystyle S라 하면 S=53cos⁡θ=53⋅13=5\displaystyle S=5\sqrt3\cos\theta=5\sqrt3\cdot\frac1{\sqrt3}=5이다.

직선 E′H′\displaystyle E^{\prime}H^{\prime}의 방정식은 x−y+1=0\displaystyle x-y+1=0이므로 점 Q′\displaystyle Q^{\prime}의 좌표를 (x,y)\displaystyle (x,y)라 하면 점 Q′\displaystyle Q^{\prime}과 직선 E′H′\displaystyle E^{\prime}H^{\prime}사이의 거리는 ∣x−y+1∣12+12\displaystyle \frac{|x-y+1|}{\sqrt{1^2+1^2}}이다. 사각형 E′F′G′H′\displaystyle E^{\prime}F^{\prime}G^{\prime}H^{\prime} 내부 또는 경계에서 x−y+1≥0\displaystyle x-y+1\ge0이므로 이 거리는 x−y+12\displaystyle \frac{x-y+1}{\sqrt2}이다.

E′H′‾=2\displaystyle \overline{E^{\prime}H^{\prime}}=\sqrt2이므로 삼각형 E′H′Q′\displaystyle E^{\prime}H^{\prime}Q^{\prime}의 넓이는 12⋅E′H′‾⋅x−y+12=12(x−y+1)\displaystyle \frac12\cdot\overline{E^{\prime}H^{\prime}}\cdot\frac{x-y+1}{\sqrt2}=\frac12(x-y+1)이다.

삼각형 G′F′Q′\displaystyle G^{\prime}F^{\prime}Q^{\prime}의 넓이는 12⋅G′F′‾⋅(4−x)=32(4−x)\displaystyle \frac12\cdot\overline{G^{\prime}F^{\prime}}\cdot(4-x)=\frac32(4-x)이다.

따라서 S=12(x−y+1)+32(4−x)=−x−y2+132\displaystyle S=\frac12(x-y+1)+\frac32(4-x)=-x-\frac y2+\frac{13}2이다.

S=5\displaystyle S=5이므로 −x−y2+132=5\displaystyle -x-\frac y2+\frac{13}2=5이고, 정리하여 y=−2x+3\displaystyle y=-2x+3을 얻는다. 즉, S=5\displaystyle S=5인 점 Q′\displaystyle Q^{\prime}의 모임은 직선 y=−2x+3\displaystyle y=-2x+3에 포함되어 있는 선분이다.

직선 H′G′\displaystyle H^{\prime}G^{\prime}의 방정식이 y=1\displaystyle y=1임을 이용하여, 직선 y=−2x+3\displaystyle y=-2x+3과 직선 H′G′\displaystyle H^{\prime}G^{\prime}의 교점 I′(1,1)\displaystyle I^{\prime}(1,1)을 얻는다. 직선 E′F′\displaystyle E^{\prime}F^{\prime}의 방정식이 y=−25x−25\displaystyle y=-\frac25x-\frac25임을 이용하여 직선 y=−2x+3\displaystyle y=-2x+3과 직선 E′F′\displaystyle E^{\prime}F^{\prime}의 교점 J′(178,−54)\displaystyle J^{\prime}\left(\frac{17}8,-\frac54\right)를 얻는다. 따라서 점 Q′\displaystyle Q^{\prime}가 이루는 선분은 선분 I′J′\displaystyle I^{\prime}J^{\prime}이다.

점 I′\displaystyle I^{\prime}는 평면 α\displaystyle \alpha의 점 I(1,1,−1)\displaystyle I(1,1,-1)의 xy\displaystyle xy평면으로의 정사영이고 점 J′\displaystyle J^{\prime}는 평면 α\displaystyle \alpha의 점 J(178,−54,18)\displaystyle J\left(\frac{17}8,-\frac54,\frac18\right)의 xy\displaystyle xy평면으로의 정사영이므로, 평면 α\displaystyle \alpha위에서 점 Q\displaystyle Q의 모임이 이루는 선분은 선분 IJ\displaystyle IJ이다. IJ‾=(98)2+(94)2+(98)2=986\displaystyle \overline{IJ}=\sqrt{\left(\frac98\right)^2+\left(\frac94\right)^2+\left(\frac98\right)^2}=\frac98\sqrt6이다.

하위 문항채점 기준배점
[1-1]F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.
[1-1]E: 직선 AD\displaystyle AD의 방정식을 구함.
[1-1]D: E와 더불어 점 P\displaystyle P에서 직선 AD\displaystyle AD까지 거리 ∣x+y−7∣2\displaystyle \frac{|x+y-7|}{\sqrt2}를 구함.
[1-1]C: D와 더불어 삼각형들의 넓이의 합 12(7−x+3y)\displaystyle \frac12(7-x+3y)를 구함.
[1-1]B: C와 더불어 직선의 방정식 x−3y−7+2k=0\displaystyle x-3y-7+2k=0을 원의 방정식에 대입하여 y\displaystyle y에 대한 방정식을 구하였으나 틀림.
[1-1]B+: C와 더불어 직선의 방정식을 원의 방정식에 대입하여 y\displaystyle y에 대한 방정식 10y2+(20−12k)y+4k2−20k+49=0\displaystyle 10y^2+(20-12k)y+4k^2-20k+49=0을 구함.
[1-1]A: 판별식을 이용하여 k\displaystyle k에 대한 이차부등식 −4k2+80k−390≥0\displaystyle -4k^2+80k-390\ge0을 구함.
[1-1]A+: k\displaystyle k에 대한 이차부등식을 풀어 k\displaystyle k의 최솟값 10−102\displaystyle 10-\frac{\sqrt{10}}2을 구함.
[1-2]F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.
[1-2]E: 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식 x+y+z=1\displaystyle x+y+z=1을 구함.
[1-2]D: 이면각 θ\displaystyle \theta를 이용하여 S=5\displaystyle S=5임을 구함.
[1-2]C: S\displaystyle S를 −x−y2+132\displaystyle -x-\frac y2+\frac{13}2로 나타냄.
[1-2]B: 점 Q′(x,y)\displaystyle Q^{\prime}(x,y)가 y=−2x+3\displaystyle y=-2x+3을 만족함을 보임.
[1-2]B+: B와 더불어 점 Q′\displaystyle Q^{\prime}의 모임이 이루는 선분의 양 끝점 I′(1,1)\displaystyle I^{\prime}(1,1)과 J′(178,−54)\displaystyle J^{\prime}\left(\frac{17}8,-\frac54\right)을 구함.
[1-2]A: B+와 더불어 점 Q\displaystyle Q의 모임이 이루는 선분의 양 끝점 I(1,1,−1)\displaystyle I(1,1,-1)과 J(178,−54,18)\displaystyle J\left(\frac{17}8,-\frac54,\frac18\right)을 구함.
[1-2]A+: A와 더불어 IJ‾=986\displaystyle \overline{IJ}=\frac98\sqrt6을 구함.

※ 하위 문에 따라 칸을 나누어 채점 기준과 배점을 작성하고 필요한 경우 채점 시 유의사항을 추가함.

※ 채점 기준은 문항의 출제의도에 대한 평가를 위한 것이어야 함.

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