수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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[문제 2] (답) 155\displaystyle \frac{\sqrt{15}}5

(풀이) 삼각형 PDE의 넓이는 삼각형 PDB의 넓이의 13\displaystyle \frac13이므로 사면체 DEPQ의 부피는 사면체 BDPQ의 부피의 13\displaystyle \frac13이다.따라서 사면체 DEPQ의 부피가 최대이기 위해서는 사면체 BDPQ의 부피가 최대이어야 한다.

정사면체의 높이 DH와 수선 EF

점 D에서 평면 ABC에 내린 수선의 발을 H라 하자.점 H는 삼각형 ABC의 무게중심이다.사면체 BDPQ의 부피는 13×\displaystyle \frac13\times(삼각형 BPQ의 넓이)×DH\displaystyle \times\overline{DH}이므로 삼각형 BPQ의 넓이가 최대이어야 한다.이때는 선분 PQ와 선분 AB가 수직일 때이다.

평면 ABC 위의 점 F, G, H와 수선

선분 PQ와 선분 AB가 수직이라고 하자. 점 E에서 평면 ABC에 내린 수선의 발을 F, 점 F에서 직선 PQ에 내린 수선의 발을 G라 하면, 삼수선의 정리에 의해 직선 EG와 직선 PQ는 수직으로 만난다.직각삼각형 EFG에서 θ\displaystyle \theta는 각 EGF의 크기와 같으므로 cosθ=FGEG\displaystyle \cos\theta=\frac{\overline{FG}}{\overline{EG}}이다.FG\displaystyle \overline{FG}를 구하자. 점 F에서 선분 AB에 내린 수선의 발을 F\displaystyle F^{\prime}이라 하면 FG=AF=ABBF=63×23=4\displaystyle \overline{FG}=\overline{AF^{\prime}}=\overline{AB}-\overline{BF^{\prime}}=6-3\times\frac23=4이다.DH\displaystyle \overline{DH}EF\displaystyle \overline{EF}를 구하자. 삼각형 AHD는 직각삼각형이고 AD=6\displaystyle \overline{AD}=6이다. 선분 BC의 중점을 M이라고 하면 선분 AM은 점 H를 지나고 AH=23×AM=23×33=23\displaystyle \overline{AH}=\frac23\times\overline{AM}=\frac23\times3\sqrt3=2\sqrt3이다.따라서 DH=AD2AH2=3612=24=26\displaystyle \overline{DH}=\sqrt{\overline{AD}^2-\overline{AH}^2}=\sqrt{36-12}=\sqrt{24}=2\sqrt6이고,EF=23×DH=23×26=463\displaystyle \overline{EF}=\frac23\times\overline{DH}=\frac23\times2\sqrt6=\frac{4\sqrt6}3이다.EG\displaystyle \overline{EG}를 구하자, 직각삼각형 EFG에서 EG=EF2+FG2=323+16=803=4153\displaystyle \overline{EG}=\sqrt{\overline{EF}^2+\overline{FG}^2}=\sqrt{\frac{32}3+16}=\sqrt{\frac{80}3}=\frac{4\sqrt{15}}3.따라서 cosθ=FGEG=44153=315=31515=155\displaystyle \cos\theta=\frac{\overline{FG}}{\overline{EG}}=\frac4{\frac{4\sqrt{15}}3}=\frac3{\sqrt{15}}=\frac{3\sqrt{15}}{15}=\frac{\sqrt{15}}5이다.

하위 문항채점 기준배점
2번A+: 답과 풀이가 맞음. A: 선분 PQ와 선분 AB가 수직일 때 최대임을 적고 EG\displaystyle \overline{EG}FG\displaystyle \overline{FG}를 구함 B+: 선분 PQ와 선분 AB가 수직일 때 최대임을 적고, EG\displaystyle \overline{EG} 또는 FG\displaystyle \overline{FG}를 구함 B: 선분 PQ와 선분 AB가 수직일 때 최대임을 적음, C: EG\displaystyle \overline{EG} 또는 FG\displaystyle \overline{FG}를 구함. D: 풀이와 관계있는 의미있는 시도를 함. F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.23점

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