[문제 2-1] 정답: x y \displaystyle xy x y 평면에서 중심이 점 A \displaystyle A A , 반지름이 1 2 \displaystyle \frac1{\sqrt2} 2 1 인 원 위에 있는 점들 중 변 A C \displaystyle AC A C 와 변 A B \displaystyle AB A B 사이에 있는 호를 이루는 점들.
[풀이] A P ‾ = a \displaystyle \overline{AP}=a A P = a 라 하고, ∠ D P A ′ \displaystyle \angle DPA^{\prime} ∠ D P A ′ 을 θ \displaystyle \theta θ , ∠ D P A \displaystyle \angle DPA ∠ D P A 을 θ ′ \displaystyle \theta^{\prime} θ ′ 이라 하자. 각 P A A ′ \displaystyle PAA^{\prime} P A A ′ 이 직각이므로 tan θ ′ = 1 2 a , tan ( θ + θ ′ ) = 1 a \displaystyle \tan\theta^{\prime}=\frac1{2a},\tan(\theta+\theta^{\prime})=\frac1a tan θ ′ = 2 a 1 , tan ( θ + θ ′ ) = a 1 이다.
삼각함수의 덧셈 정리로부터 1 a = tan θ + 1 2 a 1 − 1 2 a tan θ \displaystyle \frac1a=\frac{\tan\theta+\frac1{2a}}{1-\frac1{2a}\tan\theta} a 1 = 1 − 2 a 1 tan θ tan θ + 2 a 1 를 얻는다.
이 식을 tan θ \displaystyle \tan\theta tan θ 에 대하여 정리하면 tan θ = a 2 a 2 + 1 \displaystyle \tan\theta=\frac a{2a^2+1} tan θ = 2 a 2 + 1 a 이다.
tan θ \displaystyle \tan\theta tan θ 가 최댓값을 가질 때 θ \displaystyle \theta θ 의 크기가 최대이므로 f ( a ) = a 2 a 2 + 1 \displaystyle f(a)=\frac a{2a^2+1} f ( a ) = 2 a 2 + 1 a 가 최댓값을 가질 때의 a \displaystyle a a 값을 구한다.
f ′ ( a ) = ( 2 a 2 + 1 ) − a ⋅ 4 a ( 2 a 2 + 1 ) 2 = − 2 a 2 + 1 ( 2 a 2 + 1 ) 2 = 0 \displaystyle f^{\prime}(a)=\frac{(2a^2+1)-a\cdot4a}{(2a^2+1)^2}=\frac{-2a^2+1}{(2a^2+1)^2}=0 f ′ ( a ) = ( 2 a 2 + 1 ) 2 ( 2 a 2 + 1 ) − a ⋅ 4 a = ( 2 a 2 + 1 ) 2 − 2 a 2 + 1 = 0 을 풀면 a ≥ 0 \displaystyle a\ge0 a ≥ 0 이므로 a = 1 2 \displaystyle a=\frac1{\sqrt2} a = 2 1 이다. 0 ≤ a < 1 2 \displaystyle 0\le a<\frac1{\sqrt2} 0 ≤ a < 2 1 일 때 f ′ ( a ) > 0 \displaystyle f^{\prime}(a)>0 f ′ ( a ) > 0 이고 a > 1 2 \displaystyle a>\frac1{\sqrt2} a > 2 1 일 때 f ′ ( a ) < 0 \displaystyle f^{\prime}(a)<0 f ′ ( a ) < 0 이므로, f ( a ) \displaystyle f(a) f ( a ) 는 a = 1 2 \displaystyle a=\frac1{\sqrt2} a = 2 1 일 때 최댓값 1 2 2 \displaystyle \frac1{2\sqrt2} 2 2 1 을 갖는다.
a \displaystyle a a 는 점 P \displaystyle P P 에서 점 A \displaystyle A A 까지 거리이므로, 점 A \displaystyle A A 로부터 거리가 1 2 \displaystyle \frac1{\sqrt2} 2 1 인 점은 모두 tan θ \displaystyle \tan\theta tan θ 의 값이 최댓값 1 2 2 \displaystyle \frac1{2\sqrt2} 2 2 1 을 갖는다.
따라서 θ \displaystyle \theta θ 의 크기는 A P ‾ = 1 2 \displaystyle \overline{AP}=\frac1{\sqrt2} A P = 2 1 일 때 최대이고, 이를 만족하는 점 P \displaystyle P P 는 중심이 점 A \displaystyle A A , 반지름이 1 2 \displaystyle \frac1{\sqrt2} 2 1 인 원 위에 있는 점들 중 변 A C \displaystyle AC A C 와 변 A B \displaystyle AB A B 사이에 있는 호를 이루는 점들이다.
[문제 2-2] 정답: 49 3 576 \displaystyle \frac{49\sqrt3}{576} 576 49 3
[풀이] 점 D , N , F \displaystyle D,N,F D , N , F 의 좌표는 각각 D ( 1 , 0 , 1 2 ) \displaystyle D\left(1,0,\frac12\right) D ( 1 , 0 , 2 1 ) , N ( 3 4 , 3 4 , 0 ) \displaystyle N\left(\frac34,\frac{\sqrt3}4,0\right) N ( 4 3 , 4 3 , 0 ) , F ( 1 4 , 3 4 , 1 ) \displaystyle F\left(\frac14,\frac{\sqrt3}4,1\right) F ( 4 1 , 4 3 , 1 ) 이다.
위 세 점을 이용하여 평면 α \displaystyle \alpha α 의 법선벡터 ( 2 , 4 3 , 1 ) \displaystyle \left(2,\frac4{\sqrt3},1\right) ( 2 , 3 4 , 1 ) 을 얻는다.
따라서 평면 α \displaystyle \alpha α 의 방정식은 4 x + 8 3 y + 2 z − 5 = 0 \displaystyle 4x+\frac8{\sqrt3}y+2z-5=0 4 x + 3 8 y + 2 z − 5 = 0 이다.
평면 α \displaystyle \alpha α 와 직선 A ′ C ′ \displaystyle A^{\prime}C^{\prime} A ′ C ′ 의 교점을 G \displaystyle G G , 평면 α \displaystyle \alpha α 와 직선 B C \displaystyle BC B C 의 교점을 H \displaystyle H H 라고 하자. 직선 A ′ C ′ \displaystyle A^{\prime}C^{\prime} A ′ C ′ 위의 점은 ( x , 0 , 1 ) \displaystyle (x,0,1) ( x , 0 , 1 ) 으로 나타낼 수 있고 이를 평면 α \displaystyle \alpha α 의 방정식에 대입하여 점 G \displaystyle G G 의 좌표 ( 3 4 , 0 , 1 ) \displaystyle \left(\frac34,0,1\right) ( 4 3 , 0 , 1 ) 를 얻는다.
비슷하게, 직선 B C \displaystyle BC B C 위의 점은 ( x , 3 x , 0 ) \displaystyle (x,\sqrt3x,0) ( x , 3 x , 0 ) 으로 나타낼 수 있고 이를 평면 α \displaystyle \alpha α 의 방정식에 대입하여 점 H \displaystyle H H 의 좌표 ( 5 12 , 5 3 12 , 0 ) \displaystyle \left(\frac5{12},\frac{5\sqrt3}{12},0\right) ( 12 5 , 12 5 3 , 0 ) 을 얻는다.
직선 A ′ B ′ \displaystyle A^{\prime}B^{\prime} A ′ B ′ 위의 점은 ( t + 1 , − 3 t , 1 ) \displaystyle (t+1,-\sqrt3t,1) ( t + 1 , − 3 t , 1 ) 이고 이를 이용하여 평면 α \displaystyle \alpha α 와 직선 A ′ B ′ \displaystyle A^{\prime}B^{\prime} A ′ B ′ 의 교점 I ( 5 4 , − 3 4 , 1 ) \displaystyle I\left(\frac54,-\frac{\sqrt3}4,1\right) I ( 4 5 , − 4 3 , 1 ) 을 얻는다. 비슷하게, 직선 B B ′ \displaystyle BB^{\prime} B B ′ 위의 점은 ( 1 2 , 3 2 , t ) \displaystyle \left(\frac12,\frac{\sqrt3}2,t\right) ( 2 1 , 2 3 , t ) 이고 이를 이용하여 평면 α \displaystyle \alpha α 와 직선 B B ′ \displaystyle BB^{\prime} B B ′ 의 교점 J ( 1 2 , 3 2 , − 1 2 ) \displaystyle J\left(\frac12,\frac{\sqrt3}2,-\frac12\right) J ( 2 1 , 2 3 , − 2 1 ) 을 얻는다.
구하고자 하는 부피는 사면체 F I J B ′ \displaystyle FIJB^{\prime} F I J B ′ 의 부피에서 사면체 A ′ D G I \displaystyle A^{\prime}DGI A ′ D G I 의 부피와 사면체 B H N J \displaystyle BHNJ B H N J 의 부피의 합을 뺀 것과 같다.
사면체 F I J B ′ \displaystyle FIJB^{\prime} F I J B ′ 의 부피는 1 3 ⋅ △ F I B ′ ⋅ B ′ J ‾ = 1 3 ⋅ ( 1 2 ⋅ 3 2 ⋅ 3 4 ) ⋅ 3 2 = 3 3 32 \displaystyle \frac13\cdot\triangle FIB^{\prime}\cdot\overline{B^{\prime}J}=\frac13\cdot\left(\frac12\cdot\frac32\cdot\frac{\sqrt3}4\right)\cdot\frac32=\frac{3\sqrt3}{32} 3 1 ⋅ △ F I B ′ ⋅ B ′ J = 3 1 ⋅ ( 2 1 ⋅ 2 3 ⋅ 4 3 ) ⋅ 2 3 = 32 3 3 이다.
사면체 A ′ D G I \displaystyle A^{\prime}DGI A ′ D G I 의 부피는 1 3 ⋅ △ A ′ I G ⋅ A ′ D ‾ = 1 3 ⋅ ( 1 2 ⋅ 1 2 ⋅ 3 8 ) ⋅ 1 2 = 3 192 \displaystyle \frac13\cdot\triangle A^{\prime}IG\cdot\overline{A^{\prime}D}=\frac13\cdot\left(\frac12\cdot\frac12\cdot\frac{\sqrt3}8\right)\cdot\frac12=\frac{\sqrt3}{192} 3 1 ⋅ △ A ′ I G ⋅ A ′ D = 3 1 ⋅ ( 2 1 ⋅ 2 1 ⋅ 8 3 ) ⋅ 2 1 = 192 3 이다.
사면체 B H N J \displaystyle BHNJ B H N J 의 부피는 1 3 ⋅ △ B N H ⋅ B J ‾ = 1 3 ⋅ ( 1 2 ⋅ 1 2 ⋅ 3 12 ) ⋅ 1 2 = 3 288 \displaystyle \frac13\cdot\triangle BNH\cdot\overline{BJ}=\frac13\cdot\left(\frac12\cdot\frac12\cdot\frac{\sqrt3}{12}\right)\cdot\frac12=\frac{\sqrt3}{288} 3 1 ⋅ △ B N H ⋅ B J = 3 1 ⋅ ( 2 1 ⋅ 2 1 ⋅ 12 3 ) ⋅ 2 1 = 288 3 이다.
따라서 구하는 부피는 3 3 32 − ( 3 192 + 3 288 ) = 49 3 576 \displaystyle \frac{3\sqrt3}{32}-\left(\frac{\sqrt3}{192}+\frac{\sqrt3}{288}\right)=\frac{49\sqrt3}{576} 32 3 3 − ( 192 3 + 288 3 ) = 576 49 3 이다.
하위 문항 채점 기준 배점 [2-1] F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음. [2-1] E: tan θ ′ = 1 2 a , tan ( θ + θ ′ ) = 1 a \displaystyle \tan\theta^{\prime}=\frac1{2a},\tan(\theta+\theta^{\prime})=\frac1a tan θ ′ = 2 a 1 , tan ( θ + θ ′ ) = a 1 를 구함. [2-1] D: E와 더불어 탄젠트 합 공식을 이용하여 tan θ \displaystyle \tan\theta tan θ 를 a \displaystyle a a 에 대하여 구하였으나 계산이 틀림. [2-1] C: E와 더불어 tan θ = a 2 a 2 + 1 \displaystyle \tan\theta=\frac a{2a^2+1} tan θ = 2 a 2 + 1 a 를 구함. [2-1] B: C와 더불어 f ′ ( a ) \displaystyle f^{\prime}(a) f ′ ( a ) 를 계산하여 구하였으나 틀리게 구함. [2-1] B+: C와 더불어 f ′ ( a ) = 0 \displaystyle f^{\prime}(a)=0 f ′ ( a ) = 0 을 계산하여 a = 1 2 \displaystyle a=\frac1{\sqrt2} a = 2 1 를 구함. [2-1] A: B+와 더불어 점 P \displaystyle P P 가 원의 일부분인 것을 구하였으나 정확한 범위를 찾지 못함. [2-1] A+: B+와 더불어 점 P \displaystyle P P 의 모임을 정답과 같이 정확히 찾음. [2-2] F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음. [2-2] E: 점 D , N , F \displaystyle D,N,F D , N , F 의 좌표를 구함. [2-2] D: E와 더불어 평면 α \displaystyle \alpha α 의 방정식을 구함. [2-2] C: D와 더불어 평면 α \displaystyle \alpha α 와 삼각기둥의 변의 교점 G , H \displaystyle G,H G , H 를 구함. [2-2] B: C와 더불어 점 I , J \displaystyle I,J I , J 를 구함. [2-2] B+: B와 더불어 구하고자 하는 부피는 사면체 F I J B ′ \displaystyle FIJB^{\prime} F I J B ′ 의 부피에서 사면체 A ′ D G I \displaystyle A^{\prime}DGI A ′ D G I 의 부피와 사면체 B H N J \displaystyle BHNJ B H N J 의 부피의 합을 뺀 것과 같음을 적음. [2-2] A: B+와 더불어 사면체 F I J B ′ , A ′ D G I , B H N J \displaystyle FIJB^{\prime},A^{\prime}DGI,BHNJ F I J B ′ , A ′ D G I , B H N J 의 부피를 구하였으나 계산이 틀림. [2-2] A+: B+와 더불어 사면체 F I J B ′ , A ′ D G I , B H N J \displaystyle FIJB^{\prime},A^{\prime}DGI,BHNJ F I J B ′ , A ′ D G I , B H N J 의 부피를 구하여 정답 49 3 576 \displaystyle \frac{49\sqrt3}{576} 576 49 3 을 얻음.
※ 하위 문에 따라 칸을 나누어 채점 기준과 배점을 작성하고 필요한 경우 채점 시 유의사항을 추가함.
※ 채점 기준은 문항의 출제의도에 대한 평가를 위한 것이어야 함.