수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문항1] 다음 제시문을 이용하여 논제에 답하시오.

[가] 플라톤의 다면체라고도 하는 정다면체는 볼록다면체의 각 면이 모두 합동인 정다각형으로 각 꼭지점에서 만나는 면의 개수가 모두 같고, 각 모서리에서 서로 이웃하는 두 면이 이루는 이면각이 모두 같다. 정다면체에는 외접구와 내접구가 존재한다. 정다면체의 면의 수가 n\displaystyle n인 것을 정n\displaystyle n면체라고 한다. 정다면체에는 정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정십이면체, 정이십면체의 5\displaystyle 5 종류 뿐이다. 5\displaystyle 5종류의 정다면체는 고대 그리스에서 발견되었으며, 유클리드의 ‘기하학원론’ 최종 권(제13\displaystyle 13권)에 기술되어 있다.

『○○ 백과사전』

[나] 요즘은 일반 가정에서도 각종 경비 장치를 설치하는 집들이 늘어나고 있다. 서로 믿고 살지 못하는 것이 안타까운 일이지만, 갈수록 범죄가 많아지고 험악해지는 상황에서 무방비 상태로 살 수도 없을 것이다. 그런데 옛날에도 도둑이나 적을 막기 위하여 사용하던 장치가 있었다고 한다. 바로 마름쇠 또는 능철이라고 불리던 물건이다. 마름쇠는 정사면체의 형태로 가지가 네 개 달려 있어서 아무렇게나 던져도 반드시 세 개의 발이 지면에 닿고, 날카로운 못이 위로 향하게 되어 있다. 우리 조상들은 이것을 땅에 뿌려 두어 도둑이 함부로 침입하지 못하도록 하거나, 전쟁에서 적이 지나가는 길목에 뿌려 두어 적에게 상처를 입히거나 추격 시간을 지체시키는 데 사용했다.

한편, 해변의 방파제에 쌓아서 파도를 막는 콘크리트 구조물인 테트라포드도 정사면체 또는 마름쇠를 닮았다. 면이 여럿인 입체는 조금의 힘에도 잘 넘어지고 굴러가지만, 정사면체(면의 개수가 최소인 입체)모양의 테트라포드는 강한 파도나 조류에 휩쓸리지 않고, 안정감 있게 바닥에 잘 서는 덕분에 방파제로서 안성맞춤이다. 테트라포드는 구조의 특성상 무게중심이 아래에 있어서 잘 움직이지 않으며, 설혹 구르더라도 언제나 같은 모양으로 서 있다. 테트라포드는 강한 파도를 이겨내고, 힘을 효과적으로 분산시키기 위해서는 무게가 커야 하기 때문에 작은 것은 5\displaystyle 5톤에서 큰 것은 100\displaystyle 100톤 이상으로 만든다.

『상위 5%로 가는 수학교실』

[다] 3\displaystyle 3차원 공간에서 반지름이 r\displaystyle r인 구, 밑면의 반지름이 r\displaystyle r이고 높이가 h\displaystyle h인 원기둥, 밑면의 반지름이 r\displaystyle r이고 높이가 h\displaystyle h인 원뿔의 부피 V\displaystyle V는 각각 다음과 같다.

구: V=43πr3\displaystyle V=\frac43\pi r^3

원기둥: V=πr2h\displaystyle V=\pi r^2h

원뿔: V=13πr2h\displaystyle V=\frac13\pi r^2h

『고등학교 수학』

[논제] 2\displaystyle 2차원 공간(평면)에서 길이가 1\displaystyle 1인 선분의 한 끝점을 중심으로 ‘자유롭게 회전’시키면 선분의 자취는 반지름이 1\displaystyle 1인 원이 된다. 마찬가지로 3\displaystyle 3차원 공간에서 길이가 1\displaystyle 1인 선분의 한 끝점을 중심으로 선분을 자유롭게 회전시키면 선분의 자취는 반지름이 1\displaystyle 1인 구가 된다. 제시문 가, 나, 다를 이용하여, 한 모서리의 길이가 2\displaystyle 2인 정사면체의 꼭지점, 모서리, 겉면, 내부 중에서 임의의 한 점을 중심으로 정사면체를 자유롭게 회전시킬 때, 정사면체가 지나간 자취는 어떠한 입체도형을 이루게 될지 설명하고, 생성될 수 있는 입체도형의 최대 부피와 최소 부피를 구하는 과정을 기술하고 그 차이를 계산하시오. (그림을 이용하여 설명할 수 있음.)

해설강의 준비중

심화 정사면체

관련 개념강의 준비중

내부를 포함하는 정사면체의 임의의 점을 정하고, 그 점을 중심으로 정사면체를 3\displaystyle 3차원 공간에서 자유롭게 회전시킬 때, 정사면체가 지나간 자취는 중심과 정사면체의 다른 점을 연결한 선분을 3\displaystyle 3차원 공간에서 자유롭게 회전시킨 자취들의 합집합이 된다. 선분을 자유롭게 회전시킨 자취는 구가 되는데, 중심이 동일하므로 정사면체의 임의의 점을 중심으로 회전시킬 때, 정사면체가 지나간 자취는 구가 된다.

먼저 구의 최대 부피와 최소 부피가 되는 경우를 생각해야 한다. 구의 부피는 반지름의 세제곱에 비례하므로 반지름이 최대가 되는 경우와 최소가 되는 경우에 부피가 각각 최대, 최소가 된다. 정사면체의 내부에 길이가 모서리의 길이보다 큰 선분을 포함시킬 수 없으므로 반지름이 최대가 되는 경우는 정사면체의 한 꼭짓점을 중심으로 하는 경우이며 이때 반지름은 2\displaystyle 2이다. 그리고 제시문 (나)를 볼 때, 정사면체의 무게 중심을 중심으로 정사면체를 회전시키면 정사면체의 무게 중심에서 각 꼭짓점을 연결한 선분들이 그 선분의 길이를 반지름으로 하는 정사면체의 외접구를 생성함을 알 수 있다. 정사면체의 내부에 있는 어떤 점을 중심으로 회전시키더라도 외접구보다 작은 구를 생성할 수 없으므로 반지름이 최소가 되는 경우는 정사면체의 무게 중심을 중심으로 정사면체를 회전시키는 경우임을 알 수 있다.

이제 정사면체의 무게 중심에서 한 꼭짓점에 이르는 거리를 계산하면 된다. 정사면체의 한 면을 밑면으로 하고, 무게 중심을 꼭짓점으로 하는 삼각뿔을 생각하면, 정사면체는 이 삼각뿔 4\displaystyle 4개로 이루어져 있다. 이 삼각뿔은 부피가 정사면체의 1/4\displaystyle 1/4이고 밑면은 동일하므로 높이도 정사면체의 1/4\displaystyle 1/4이다. 정사면체의 꼭짓점과 무게 중심, 밑면 삼각형의 무게 중심은 일직선 위에 있으며, 이 직선은 밑면과 수직이다. 정사면체의 꼭짓점에서 밑면에 내린 수선의 길이가 정사면체의 높이이고, 정사면체의 무게 중심에서 밑면에 내린 수선의 길이는 부피가 1/4\displaystyle 1/4인 삼각뿔의 높이이다. 따라서 무게 중심에서 한 꼭짓점에 이르는 거리는 정사면체 높이의 3/4\displaystyle 3/4이다.

피타고라스 정리를 이용하여 한 모서리의 길이가 2인 정사면체의 높이를 구하면 22−(233)2=83=263\displaystyle \sqrt{2^2-\left(\frac23\sqrt3\right)^2}=\sqrt{\frac83}=\frac{2\sqrt6}3이다. 무게 중심에서 한 꼭짓점에 이르는 거리는 정사면체 높이의 34\displaystyle \frac34이므로 부피가 최소가 되는 경우의 반지름은 62\displaystyle \frac{\sqrt6}2이다. 따라서 최대 부피는 323π\displaystyle \frac{32}3\pi, 최소 부피는 6π\displaystyle \sqrt6\pi이고 차는 (323−6)π\displaystyle \left(\frac{32}3-\sqrt6\right)\pi이다.

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