수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

[문제 2-1] 정답: xy\displaystyle xy평면에서 중심이 점 A\displaystyle A, 반지름이 12\displaystyle \frac1{\sqrt2}인 원 위에 있는 점들 중 변 AC\displaystyle AC와 변 AB\displaystyle AB 사이에 있는 호를 이루는 점들.

[풀이] AP=a\displaystyle \overline{AP}=a라 하고, DPA\displaystyle \angle DPA^{\prime}θ\displaystyle \theta, DPA\displaystyle \angle DPAθ\displaystyle \theta^{\prime}이라 하자. 각 PAA\displaystyle PAA^{\prime}이 직각이므로 tanθ=12a,tan(θ+θ)=1a\displaystyle \tan\theta^{\prime}=\frac1{2a},\tan(\theta+\theta^{\prime})=\frac1a이다.

삼각함수의 덧셈 정리로부터 1a=tanθ+12a112atanθ\displaystyle \frac1a=\frac{\tan\theta+\frac1{2a}}{1-\frac1{2a}\tan\theta}를 얻는다.

이 식을 tanθ\displaystyle \tan\theta에 대하여 정리하면 tanθ=a2a2+1\displaystyle \tan\theta=\frac a{2a^2+1}이다.

tanθ\displaystyle \tan\theta가 최댓값을 가질 때 θ\displaystyle \theta의 크기가 최대이므로 f(a)=a2a2+1\displaystyle f(a)=\frac a{2a^2+1}가 최댓값을 가질 때의 a\displaystyle a값을 구한다.

f(a)=(2a2+1)a4a(2a2+1)2=2a2+1(2a2+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}=0을 풀면 a0\displaystyle a\ge0이므로 a=12\displaystyle a=\frac1{\sqrt2}이다. 0a<12\displaystyle 0\le a<\frac1{\sqrt2}일 때 f(a)>0\displaystyle f^{\prime}(a)>0이고 a>12\displaystyle a>\frac1{\sqrt2}일 때 f(a)<0\displaystyle f^{\prime}(a)<0이므로, f(a)\displaystyle f(a)a=12\displaystyle a=\frac1{\sqrt2}일 때 최댓값 122\displaystyle \frac1{2\sqrt2}을 갖는다.

a\displaystyle a는 점 P\displaystyle P에서 점 A\displaystyle A까지 거리이므로, 점 A\displaystyle A로부터 거리가 12\displaystyle \frac1{\sqrt2}인 점은 모두 tanθ\displaystyle \tan\theta의 값이 최댓값 122\displaystyle \frac1{2\sqrt2}을 갖는다.

따라서 θ\displaystyle \theta의 크기는 AP=12\displaystyle \overline{AP}=\frac1{\sqrt2}일 때 최대이고, 이를 만족하는 점 P\displaystyle P는 중심이 점 A\displaystyle A, 반지름이 12\displaystyle \frac1{\sqrt2}인 원 위에 있는 점들 중 변 AC\displaystyle AC와 변 AB\displaystyle AB 사이에 있는 호를 이루는 점들이다.

각 DPA′가 최대가 되는 점 P의 호

[문제 2-2] 정답: 493576\displaystyle \frac{49\sqrt3}{576}

[풀이] 점 D,N,F\displaystyle D,N,F의 좌표는 각각 D(1,0,12)\displaystyle D\left(1,0,\frac12\right), N(34,34,0)\displaystyle N\left(\frac34,\frac{\sqrt3}4,0\right), F(14,34,1)\displaystyle F\left(\frac14,\frac{\sqrt3}4,1\right)이다.

위 세 점을 이용하여 평면 α\displaystyle \alpha의 법선벡터 (2,43,1)\displaystyle \left(2,\frac4{\sqrt3},1\right)을 얻는다.

따라서 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식은 4x+83y+2z5=0\displaystyle 4x+\frac8{\sqrt3}y+2z-5=0이다.

평면 α\displaystyle \alpha와 직선 AC\displaystyle A^{\prime}C^{\prime}의 교점을 G\displaystyle G, 평면 α\displaystyle \alpha와 직선 BC\displaystyle BC의 교점을 H\displaystyle H라고 하자. 직선 AC\displaystyle A^{\prime}C^{\prime} 위의 점은 (x,0,1)\displaystyle (x,0,1)으로 나타낼 수 있고 이를 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식에 대입하여 점 G\displaystyle G의 좌표 (34,0,1)\displaystyle \left(\frac34,0,1\right)를 얻는다.

비슷하게, 직선 BC\displaystyle BC위의 점은 (x,3x,0)\displaystyle (x,\sqrt3x,0)으로 나타낼 수 있고 이를 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식에 대입하여 점 H\displaystyle H의 좌표 (512,5312,0)\displaystyle \left(\frac5{12},\frac{5\sqrt3}{12},0\right)을 얻는다.

직선 AB\displaystyle A^{\prime}B^{\prime} 위의 점은 (t+1,3t,1)\displaystyle (t+1,-\sqrt3t,1)이고 이를 이용하여 평면 α\displaystyle \alpha와 직선 AB\displaystyle A^{\prime}B^{\prime}의 교점 I(54,34,1)\displaystyle I\left(\frac54,-\frac{\sqrt3}4,1\right)을 얻는다. 비슷하게, 직선 BB\displaystyle BB^{\prime} 위의 점은 (12,32,t)\displaystyle \left(\frac12,\frac{\sqrt3}2,t\right)이고 이를 이용하여 평면 α\displaystyle \alpha와 직선 BB\displaystyle BB^{\prime}의 교점 J(12,32,12)\displaystyle J\left(\frac12,\frac{\sqrt3}2,-\frac12\right)을 얻는다.

구하고자 하는 부피는 사면체 FIJB\displaystyle FIJB^{\prime}의 부피에서 사면체 ADGI\displaystyle A^{\prime}DGI의 부피와 사면체 BHNJ\displaystyle BHNJ의 부피의 합을 뺀 것과 같다.

사면체 FIJB\displaystyle FIJB^{\prime}의 부피는 13FIBBJ=13(123234)32=3332\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}이다.

사면체 ADGI\displaystyle A^{\prime}DGI의 부피는 13AIGAD=13(121238)12=3192\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}이다.

사면체 BHNJ\displaystyle BHNJ의 부피는 13BNHBJ=13(1212312)12=3288\displaystyle \frac13\cdot\triangle BNH\cdot\overline{BJ}=\frac13\cdot\left(\frac12\cdot\frac12\cdot\frac{\sqrt3}{12}\right)\cdot\frac12=\frac{\sqrt3}{288}이다.

따라서 구하는 부피는 3332(3192+3288)=493576\displaystyle \frac{3\sqrt3}{32}-\left(\frac{\sqrt3}{192}+\frac{\sqrt3}{288}\right)=\frac{49\sqrt3}{576}이다.

평면 DNF의 삼각기둥 단면과 두 보조 사면체
하위 문항채점 기준배점
[2-1]F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.
[2-1]E: tanθ=12a,tan(θ+θ)=1a\displaystyle \tan\theta^{\prime}=\frac1{2a},\tan(\theta+\theta^{\prime})=\frac1a를 구함.
[2-1]D: E와 더불어 탄젠트 합 공식을 이용하여 tanθ\displaystyle \tan\thetaa\displaystyle a에 대하여 구하였으나 계산이 틀림.
[2-1]C: E와 더불어 tanθ=a2a2+1\displaystyle \tan\theta=\frac a{2a^2+1}를 구함.
[2-1]B: C와 더불어 f(a)\displaystyle f^{\prime}(a)를 계산하여 구하였으나 틀리게 구함.
[2-1]B+: C와 더불어 f(a)=0\displaystyle f^{\prime}(a)=0을 계산하여 a=12\displaystyle a=\frac1{\sqrt2}를 구함.
[2-1]A: B+와 더불어 점 P\displaystyle P가 원의 일부분인 것을 구하였으나 정확한 범위를 찾지 못함.
[2-1]A+: B+와 더불어 점 P\displaystyle P의 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,F의 좌표를 구함.
[2-2]D: E와 더불어 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식을 구함.
[2-2]C: D와 더불어 평면 α\displaystyle \alpha와 삼각기둥의 변의 교점 G,H\displaystyle G,H를 구함.
[2-2]B: C와 더불어 점 I,J\displaystyle I,J를 구함.
[2-2]B+: B와 더불어 구하고자 하는 부피는 사면체 FIJB\displaystyle FIJB^{\prime}의 부피에서 사면체 ADGI\displaystyle A^{\prime}DGI의 부피와 사면체 BHNJ\displaystyle BHNJ의 부피의 합을 뺀 것과 같음을 적음.
[2-2]A: B+와 더불어 사면체 FIJB,ADGI,BHNJ\displaystyle FIJB^{\prime},A^{\prime}DGI,BHNJ의 부피를 구하였으나 계산이 틀림.
[2-2]A+: B+와 더불어 사면체 FIJB,ADGI,BHNJ\displaystyle FIJB^{\prime},A^{\prime}DGI,BHNJ의 부피를 구하여 정답 493576\displaystyle \frac{49\sqrt3}{576}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.

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