수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+3점 · 직선의 방정식을 이해하고 직선 위의 점의 좌표를 구할 수 있다. x+12=y=2z=t\displaystyle \dfrac{x+1}{2}=y=2-z=t라 하면 직선 위의 점의 좌표는 P(2t1,t,2t)\displaystyle \mathrm{P}(2t-1,t,2-t)이다.

[1] (1) x+12=y=2z=t\displaystyle \dfrac{x+1}{2}=y=2-z=t라 하면 직선 위의 점의 좌표는 P(2t1,t,2t)\displaystyle \mathrm{P}(2t-1,t,2-t)이다.

+3점 · 두 점 사이의 거리를 구할 수 있다.원점 O\displaystyle \mathrm{O}와 점 P\displaystyle \mathrm{P} 사이의 거리는OP=(2t1)2+t2+(2t)2=6(t23)2+73\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}=\sqrt{(2t-1)^2+t^2+(2-t)^2}=\sqrt{6\left(t-\dfrac23\right)^2+\dfrac73}이다.

원점 O\displaystyle \mathrm{O}와 점 P\displaystyle \mathrm{P} 사이의 거리는OP=(2t1)2+t2+(2t)2=6(t23)2+73\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}=\sqrt{(2t-1)^2+t^2+(2-t)^2}=\sqrt{6\left(t-\dfrac23\right)^2+\dfrac73}이다.

+2점 · 이차방정식의 최솟값을 구할 수 있다. 원점과 직선까지의 거리는 OP\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}의 최솟값이므로, t=23\displaystyle t=\dfrac23일 때 213\displaystyle \dfrac{\sqrt{21}}3이다.

원점 O\displaystyle \mathrm{O}와 직선 l\displaystyle l까지의 거리는 OP\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}의 최솟값이므로, t=23\displaystyle t=\dfrac23일 때 213\displaystyle \dfrac{\sqrt{21}}3이다.

+4점 · 직선과 평면의 교점을 구할 수 있다. 직선 l\displaystyle l위의 점 P(2t1,t,2t)\displaystyle \mathrm{P}(2t-1,t,2-t)가 평면 α\displaystyle \alpha 위에 있으면 (2t1)3t+2(2t)=0\displaystyle (2t-1)-3t+2(2-t)=0이므로 t=1\displaystyle t=1이고, 직선 l\displaystyle l과 평면 α\displaystyle \alpha의 교점은 A(1,1,1)\displaystyle \mathrm{A}(1,1,1)이다.

(2) 직선 l\displaystyle l위의 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 평면 α\displaystyle \alpha 위에 있으면 (2t1)3t+2(2t)=0\displaystyle (2t-1)-3t+2(2-t)=0이므로 t=1\displaystyle t=1이고, 따라서 직선 l\displaystyle l과 평면 α\displaystyle \alpha의 교점은 A(1,1,1)\displaystyle \mathrm{A}(1,1,1)이다.

+3점 · 법선벡터를 이용하여 평면의 방정식을 구할 수 있다. OA=(1,1,1)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}}=(1,1,1)이 평면 β\displaystyle \beta의 법선벡터이므로 평면 β\displaystyle \beta의 방정식은 x+y+z+d=0\displaystyle x+y+z+d=0이다.

OA=(1,1,1)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}}=(1,1,1)이 평면 β\displaystyle \beta의 법선벡터이므로 평면 β\displaystyle \beta의 방정식은 x+y+z+d=0\displaystyle x+y+z+d=0이다.

+2점 · 지나는 점을 이용하여 평면의 방정식을 구할 수 있다. 이 평면이 점 A(1,1,1)\displaystyle \mathrm{A}(1,1,1)을 지나므로 d=3\displaystyle d=-3이고, 평면 β\displaystyle \beta의 방정식은 x+y+z3=0\displaystyle x+y+z-3=0이다.

이 평면이 점 A(1,1,1)\displaystyle \mathrm{A}(1,1,1)을 지나므로 d=3\displaystyle d=-3이고, 따라서 평면 β\displaystyle \beta의 방정식은 x+y+z3=0\displaystyle x+y+z-3=0이다.

+3점 · 평면의 법선벡터를 구할 수 있다. n1=(1,1,1)\displaystyle \overrightarrow{n_1}=(1,1,1)은 평면 β\displaystyle \beta의 법선벡터이고, n2=(0,0,1)\displaystyle \overrightarrow{n_2}=(0,0,1)xy\displaystyle xy평면의 법선벡터이다.

(3) n1=(1,1,1)\displaystyle \overrightarrow{n_1}=(1,1,1)은 평면 β\displaystyle \beta의 법선벡터이고 n2=(0,0,1)\displaystyle \overrightarrow{n_2}=(0,0,1)xy\displaystyle xy평면의 법선벡터이다.

+4점 · 두 평면이 이루는 각을 구할 수 있다.두 평면이 이루는 각을 θ\displaystyle \theta라 할 때cosθ=n1n2n1n2=1×0+1×0+1×112+12+1202+02+12=33\displaystyle \cos\theta=\dfrac{\left|\overrightarrow{n_1}\cdot\overrightarrow{n_2}\right|}{\left|\overrightarrow{n_1}\right|\left|\overrightarrow{n_2}\right|}=\dfrac{|1\times0+1\times0+1\times1|}{\sqrt{1^2+1^2+1^2}\sqrt{0^2+0^2+1^2}}=\dfrac{\sqrt3}3이다.

두 평면이 이루는 각을 θ\displaystyle \theta라 할 때cosθ=n1n2n1n2=1×0+1×0+1×112+12+1202+02+12=33\displaystyle \cos\theta=\dfrac{\left|\overrightarrow{n_1}\cdot\overrightarrow{n_2}\right|}{\left|\overrightarrow{n_1}\right|\left|\overrightarrow{n_2}\right|}=\dfrac{|1\times0+1\times0+1\times1|}{\sqrt{1^2+1^2+1^2}\sqrt{0^2+0^2+1^2}}=\dfrac{\sqrt3}3이다.

+3점 · 공간벡터의 연산을 할 수 있다.구하는 도형 위의 임의의 점을 P(x,y,z)\displaystyle \mathrm{P}(x,y,z)라고 하면BP=(x5,y3,z2), CP=(x7,y5,z+2)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{BP}}=(x-5,y-3,z-\sqrt2),~\overrightarrow{\mathrm{CP}}=(x-7,y-5,z+\sqrt2)이다.

[2] (1) 구하는 도형 위의 임의의 점을 P(x,y,z)\displaystyle \mathrm{P}(x,y,z)라고 하면BP=OPOB=(x5,y3,z2), CP=OPOC=(x7,y5,z+2)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{BP}}=\overrightarrow{\mathrm{OP}}-\overrightarrow{\mathrm{OB}}=(x-5,y-3,z-\sqrt2),~\overrightarrow{\mathrm{CP}}=\overrightarrow{\mathrm{OP}}-\overrightarrow{\mathrm{OC}}=(x-7,y-5,z+\sqrt2)이다.

+4점 · 공간벡터의 성분을 이용하여 내적을 구할 수 있다.조건에서 BPCP=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{BP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{CP}}=0이므로BPCP=(x6)2+(y4)2+z24=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{BP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{CP}}=(x-6)^2+(y-4)^2+z^2-4=0이다.

조건에서 BPCP=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{BP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{CP}}=0이므로BPCP=(x5,y3,z2)(x7,y5,z+2)=(x6)2+(y4)2+z24=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{BP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{CP}}=(x-5,y-3,z-\sqrt2)\cdot(x-7,y-5,z+\sqrt2)=(x-6)^2+(y-4)^2+z^2-4=0이다.

+2점 · 구의 방정식을 이해하고 중심과 반지름을 구할 수 있다. 이 구의 중심은 D(6,4,0)\displaystyle \mathrm{D}(6,4,0)이고 반지름은 r=2\displaystyle r=2이다.

따라서 점 P\displaystyle \mathrm{P}가 나타내는 도형은 구이고, 이 구의 중심은 D(6,4,0)\displaystyle \mathrm{D}(6,4,0)이고 반지름은 r=2\displaystyle r=2이다.

+3점 · 구의 성질을 이해하고 점의 위치관계를 구할 수 있다. 두 점 B,C\displaystyle \mathrm{B},\mathrm{C}는 구 위에 있고, 구의 지름의 양 끝점이 된다. 따라서 세 점 B,C,D\displaystyle \mathrm{B},\mathrm{C},\mathrm{D}는 일직선 위에 있다.

(2) 두 점 B,C\displaystyle \mathrm{B},\mathrm{C}는 구의 방정식을 만족하므로 구 위에 있고, BPCP=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{BP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{CP}}=0이므로 두 점 B,C\displaystyle \mathrm{B},\mathrm{C}는 구의 지름의 양 끝점이 된다. 따라서, 세 점 B,C,D\displaystyle \mathrm{B},\mathrm{C},\mathrm{D}는 일직선 위에 있다.

+4점 · 삼각형의 성질을 이해하고 넓이를 구할 수 있다. 점 D\displaystyle \mathrm{D}는 구의 중심이므로 BD=CD\displaystyle \overline{\mathrm{BD}}=\overline{\mathrm{CD}}이고, 선분 BD,CD\displaystyle \mathrm{BD},\mathrm{CD}를 밑변으로 하는 두 삼각형 OBD,ODC\displaystyle \mathrm{OBD},\mathrm{ODC}의 높이는 같다. 따라서 S1=S2\displaystyle S_1=S_2이고 S1S2=1\displaystyle \dfrac{S_1}{S_2}=1이다.

D\displaystyle \mathrm{D}는 구의 중심이므로 BD=CD\displaystyle \overline{\mathrm{BD}}=\overline{\mathrm{CD}}이다. 선분 BD\displaystyle \mathrm{BD}와 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}를 밑변으로 하는 두 삼각형 OBD\displaystyle \mathrm{OBD}ODC\displaystyle \mathrm{ODC}의 높이는 같다. 따라서 S1=S2\displaystyle S_1=S_2이고 S1S2=1\displaystyle \dfrac{S_1}{S_2}=1이다.

+5점 · 좌표공간에서 점과 도형의 위치관계를 이해하고 있다. 구와 xy\displaystyle xy평면이 만나는 도형은 (x6)2+(y4)2=4\displaystyle (x-6)^2+(y-4)^2=4인 원이다. 점 E(2,1,33)\displaystyle \mathrm{E}(2,1,3\sqrt3)에서 xy\displaystyle xy평면에 내린 수선의 발을 E\displaystyle \mathrm{E}^{\prime}이라고 할 때, ED=(62)2+(41)2+(00)2=25=5\displaystyle \overline{\mathrm{E}^{\prime}\mathrm{D}}=\sqrt{(6-2)^2+(4-1)^2+(0-0)^2}=\sqrt{25}=5이고, 원의 반지름이 2이므로 점 E\displaystyle \mathrm{E}^{\prime}은 원 외부에 있는 점이 된다.

(3) 구와 xy\displaystyle xy평면이 만나는 도형은 z=0\displaystyle z=0에서 (x6)2+(y4)2=4\displaystyle (x-6)^2+(y-4)^2=4인 원이다. 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}를 원 위의 임의의 점이라고 하고 점 E(2,1,33)\displaystyle \mathrm{E}(2,1,3\sqrt3)에서 xy\displaystyle xy평면에 내린 수선의 발을 E(2,1,0)\displaystyle \mathrm{E}^{\prime}(2,1,0)이라고 하자. 이때 ED=(62)2+(41)2+(00)2=25=5\displaystyle \overline{\mathrm{E}^{\prime}\mathrm{D}}=\sqrt{(6-2)^2+(4-1)^2+(0-0)^2}=\sqrt{25}=5이고, 원의 반지름이 2이므로 점 E\displaystyle \mathrm{E}^{\prime}은 원 외부에 있는 점이 된다.

+3점 · 두 점 사이의 거리를 구할 수 있다. 선분 ED\displaystyle \mathrm{E}^{\prime}\mathrm{D}와 원이 만나는 점을 Q\displaystyle \mathrm{Q}^{\prime}이라고 할 때, EQ\displaystyle \overline{\mathrm{E}^{\prime}\mathrm{Q}^{\prime}}EQ\displaystyle \overline{\mathrm{E}^{\prime}\mathrm{Q}} 중 최소가 되고, 따라서 EQ\displaystyle \overline{\mathrm{EQ}^{\prime}}EQ\displaystyle \overline{\mathrm{EQ}} 중 최소가 된다. EQ=ED2=52=3\displaystyle \overline{\mathrm{E}^{\prime}\mathrm{Q}^{\prime}}=\overline{\mathrm{E}^{\prime}\mathrm{D}}-2=5-2=3이다.

따라서 선분 ED\displaystyle \mathrm{E}^{\prime}\mathrm{D}와 원이 만나는 점을 Q\displaystyle \mathrm{Q}^{\prime}이라고 할 때, EQ\displaystyle \overline{\mathrm{E}^{\prime}\mathrm{Q}^{\prime}}EQ\displaystyle \overline{\mathrm{E}^{\prime}\mathrm{Q}} 중 최소가 되고, 따라서 EQ\displaystyle \overline{\mathrm{EQ}^{\prime}}EQ\displaystyle \overline{\mathrm{EQ}} 중 최소가 된다. EQ=ED2=52=3\displaystyle \overline{\mathrm{E}^{\prime}\mathrm{Q}^{\prime}}=\overline{\mathrm{E}^{\prime}\mathrm{D}}-2=5-2=3이다.

+2점 · 직각삼각형의 성질을 이해하고 선분의 길이를 구할 수 있다. 점 E\displaystyle \mathrm{E}에서 원 위의 점까지 거리의 최솟값은 EQ=(33)2+32=36=6\displaystyle \overline{\mathrm{EQ}^{\prime}}=\sqrt{(3\sqrt3)^2+3^2}=\sqrt{36}=6이다.

E\displaystyle \mathrm{E}에서 원 위의 점까지 거리의 최솟값은 EQ=(33)2+32=36=6\displaystyle \overline{\mathrm{EQ}^{\prime}}=\sqrt{(3\sqrt3)^2+3^2}=\sqrt{36}=6이다.

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