수리논술, 이게 다다.

의학계 1번

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문제

[문항 1] 다음 제시문을 이용하여 아래 논제의 풀이 과정과 답을 논리적으로 서술하시오.

(가) 영벡터가 아닌 두 공간벡터 a→\displaystyle \overrightarrow{a}, b→\displaystyle \overrightarrow{b}가 이루는 각의 크기를 θ(0≤θ≤π)\displaystyle \theta\left( 0 \le \theta \le \pi \right)라고 할 때,a→∙b→=∣a→∣∣b→∣cos⁡θ\displaystyle \overrightarrow{a} \bullet \overrightarrow{b} = | \overrightarrow{a} | | \overrightarrow{b} | \cos \theta

(나) 점 A(x1,y1,z1)\displaystyle \mathrm{A} \left( x_{1} , y_{1} , z_{1} \right)을 지나고 벡터 u→=(a,b,c)\displaystyle \overrightarrow{u} = \left( a , b , c \right)에 평행한 직선의 방정식은

(ⅰ) abc≠0\displaystyle a b c \ne 0인 경우 x−x1a=y−y1b=z−z1c\displaystyle \frac{{x - x_{1}}}{a} = \frac{{y - y_{1}}}{b} = \frac{{z - z_{1}}}{c}

(ⅱ) ab≠0, c=0\displaystyle ab\ne0,\ c=0인 경우 x−x1a=y−y1b, z=z1\displaystyle \frac{x-x_1}a=\frac{y-y_1}b,\ z=z_1

(다) 점 A(x1,y1,z1)\displaystyle \mathrm{A} \left( x_{1} , y_{1} , z_{1} \right)을 지나고 영벡터가 아닌 벡터 n→=(a,b,c)\displaystyle \overrightarrow{n} = \left( a , b , c \right)에 수직인 평면의 방정식은a(x−x1)+b(y−y1)+c(z−z1)=0\displaystyle a ( x - x_{1} ) + b ( y - y_{1} ) + c ( z - z_{1} ) = 0

(라) 삼각함수의 덧셈정리sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\displaystyle \sin ( \alpha + \beta ) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta, cos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β\displaystyle \cos ( \alpha + \beta ) = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta를 이용하면sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\displaystyle \sin 2 \alpha = 2 \sin \alpha \cos \alpha, cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α\displaystyle \cos 2 \alpha = \cos^{2} \alpha - \sin^{2} \alpha = 2 \cos^{2} \alpha - 1 = 1 - 2 \sin^{2} \alpha

(마) 구간 [a,b]\displaystyle [ a , b ]의 임의의 점 x\displaystyle x에서 x\displaystyle x축에 수직인 평면으로 자른 단면의 넓이가 S(x)\displaystyle S ( x )인 입체도형의 부피 V\displaystyle V는V=∫abS(x)dx\displaystyle V = \int_{a}^{b} S ( x ) d x

[1-1] b2+c2<1\displaystyle b^{2} + c^{2} < 1을 만족하는 두 양의 실수 b\displaystyle b, c\displaystyle c에 대하여, 좌표공간에서 구 S:x2+y2+z2=1\displaystyle S : x^{2} + y^{2} + z^{2} = 1이 두 평면 β:y=b\displaystyle \beta : y = b, γ:z=c\displaystyle \gamma : z = c와 만나서 생기는 두 원을 각각 C1\displaystyle C_{1}, C2\displaystyle C_{2}라 하자. 이 두 원이 만나는 점 중 x\displaystyle x좌표가 양수인 점을 P\displaystyle \mathrm{P}라 하자. 평면 β\displaystyle \beta에서 원 C1\displaystyle C_{1}의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서의 접선을 l1\displaystyle l_{1}, 평면 γ\displaystyle \gamma에서 원 C2\displaystyle C_{2}의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서의 접선을 l2\displaystyle l_{2}라 할 때, 두 직선 l1\displaystyle l_{1}, l2\displaystyle l_{2}가 이루는 각을 θ\displaystyle \theta라 하자. 이때, cos⁡θ\displaystyle \cos \theta의 값을 b\displaystyle b, c\displaystyle c에 관한 식으로 나타내고, b2+c2=14\displaystyle b^{2} + c^{2} = \frac{1}{4}을 만족할 때, cos⁡θ\displaystyle \cos \theta의 최댓값을 구하시오. (15점)

[1-2] 그림과 같이 구 S:x2+y2+z2=1\displaystyle S : x^{2} + y^{2} + z^{2} = 1과 평면 z=t(−12≤t≤12)\displaystyle z = t \left( - \frac{1}{2} \le t \le \frac{1}{2} \right)가 만나서 생기는 원을 C\displaystyle C라 할 때, 원 C\displaystyle C가 평면 y=22\displaystyle y = \frac{\sqrt{2}}{2}와 만나는 두 점을 P\displaystyle \mathrm{P}, Q\displaystyle \mathrm{Q}라 하자. 평면 z=t\displaystyle z = t에서 원 C\displaystyle C 위의 두 점 P\displaystyle \mathrm{P}, Q\displaystyle \mathrm{Q}에서의 접선을 m1\displaystyle m_{1}, m2\displaystyle m_{2}라 하면, 두 직선 m1\displaystyle m_{1}, m2\displaystyle m_{2}는 한 점 R\displaystyle \mathrm{R}에서 만난다. 이때, t\displaystyle t가 −12\displaystyle - \frac{1}{2}에서 12\displaystyle \frac{1}{2}까지 변할 때, 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}가 만드는 입체도형의 부피를 구하시오. (20점)

구 S와 평면 z=t의 원 C에 그은 접선 m1 m2
해설강의 준비중
+15점 · 1-1

[1-1]

두 원 C1\displaystyle C_{1}, C2\displaystyle C_{2}의 교점 P\displaystyle \mathrm{P}를 (a,b,c)\displaystyle \left( a , b , c \right)라 하면 a2+b2+c2=1\displaystyle a^{2} + b^{2} + c^{2} = 1이다. 점 P\displaystyle \mathrm{P}를 지나며 구 S\displaystyle S와 접하는 평면의 법선벡터는 OP‾\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}이므로 이 평면의 방정식은 ax+by+cz=1\displaystyle a x + b y + c z = 1이다. 이 평면을 α\displaystyle \alpha라 하자. 직선 l1\displaystyle l_{1}은 평면 β\displaystyle \beta 위에 있고, 또한 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서 구 S\displaystyle S에 접하는 직선이므로 평면 α\displaystyle \alpha 위에도 있다. 따라서 직선 l1\displaystyle l_{1}은 두 평면 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta의 교선이다.

직선 l1\displaystyle l_{1}은 두 평면 α:ax+by+cz=1\displaystyle \alpha : a x + b y + c z = 1, β:y=b\displaystyle \beta : y = b의 교선이므로 직선 l1\displaystyle l_{1}의 방정식은ax+cz=1−b2\displaystyle a x + c z = 1 - b^{2}, y=b\displaystyle y = b이고 방향벡터는 u→1=(c,0,−a)\displaystyle \overrightarrow{u}_{1} = \left( c , 0 , - a \right)이다.

같은 방법으로 직선 l2\displaystyle l_{2}는 두 평면 α\displaystyle \alpha와 γ\displaystyle \gamma의 교선이고 직선 l2\displaystyle l_{2}의 방정식은ax+by=1−c2\displaystyle a x + b y = 1 - c^{2}, z=c\displaystyle z = c이고 방향벡터는 u→2=(b,−a,0)\displaystyle \overrightarrow{u}_{2} = \left( b , - a , 0 \right)이다. ([그림1])

그림1 구 S에 접하는 평면 α와 원의 접선 l1

따라서cos⁡θ=u→1⋅u→2∣u→1∣∣u→2∣=bcb2+a2c2+a2=bc1−b21−c2\displaystyle \cos\theta=\frac{\overrightarrow{u}_1\cdot\overrightarrow{u}_2}{|\overrightarrow{u}_1||\overrightarrow{u}_2|}=\frac{bc}{\sqrt{b^2+a^2}\sqrt{c^2+a^2}}=\frac{bc}{\sqrt{1-b^2}\sqrt{1-c^2}}

한편, 2bc≤b2+c2=14\displaystyle 2 b c \le b^{2} + c^{2} = \frac{1}{4}이므로 bc≤12×14=18\displaystyle b c \le \frac{1}{2} \times \frac{1}{4} = \frac{1}{8}이다.

cos⁡θ=bc1−b21−c2=bc1−(b2+c2)+b2c2=bc34+b2c2=134b2c2+1≤13×824+1=17\displaystyle \begin{aligned}\cos\theta&=\frac{bc}{\sqrt{1-b^2}\sqrt{1-c^2}}=\frac{bc}{\sqrt{1-(b^2+c^2)+b^2c^2}}\\&=\frac{bc}{\sqrt{\frac34+b^2c^2}}=\frac1{\sqrt{\frac3{4b^2c^2}+1}}\\&\le\frac1{\sqrt{\frac{3\times8^2}4+1}}=\frac17\end{aligned}

그러므로 b=c=24\displaystyle b = c = \frac{\sqrt{2}}{4}일 때, cos⁡θ\displaystyle \cos \theta의 최댓값은 17\displaystyle \frac{1}{7}이다.

+20점 · 1-2

[1-2]

x2+y2=1−t2\displaystyle x^{2} + y^{2} = 1 - t^{2}, z=t\displaystyle z = t 위에 점 P(a,22,t)\displaystyle {\mathrm{P}} \left( a , \frac{\sqrt{2}}{2} , t \right)와 Q(−a,22,t)\displaystyle {\mathrm{Q}} \left( - a , \frac{\sqrt{2}}{2} , t \right)에서의 두 접선이 만나는 점을 R\displaystyle \mathrm{R}이라고 할 때, 직선 PR\displaystyle \mathrm{PR}의 방정식은(y−22)=−2a(x−a)\displaystyle \left( y - \frac{\sqrt{2}}{2} \right) = - \sqrt{2} a ( x - a ),y=−2ax+2(a2+12)\displaystyle y=-\sqrt2ax+\sqrt2\left(a^2+\frac12\right)

이다. 따라서 점 R\displaystyle \mathrm{R}은 (0,2(a2+12),t)\displaystyle \left(0,\sqrt2\left(a^2+\frac12\right),t\right)이다.

a2+t2=12\displaystyle a^{2} + t^{2} = \frac{1}{2}이기 때문에 입체의 단면인 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}의 넓이를 S(t)\displaystyle S ( t )라 하면 S(t)=2(12−t2)32\displaystyle S ( t ) = \sqrt{2} \left( \frac{1}{2} - t^{2} \right)^{\frac{3}{2}}이다.

제시문 (마)에 의해 구하고자 하는 부피 V\displaystyle V는V=∫−1212S(t)dt=∫−12122(12−t2)32dt=22∫012(12−t2)32dt\displaystyle V = \int_{- \frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}} S ( t ) d t = \int_{- \frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}} \sqrt{2} \left( \frac{1}{2} - t^{2} \right)^{\frac{3}{2}} d t= 2 \sqrt{2} \int_{0}^{\frac{1}{2}} \left( \frac{1}{2} - t^{2} \right)^{\frac{3}{2}} d t

이제 t=22sin⁡θ\displaystyle t = \frac{\sqrt{2}}{2} \sin \theta라고 치환하면, dt=22cos⁡θdθ\displaystyle d t = \frac{\sqrt{2}}{2} \cos \theta d \theta이고t=0\displaystyle t = 0일 때 θ=0\displaystyle \theta = 0, t=12\displaystyle t = \frac{1}{2}일 때 θ=π4\displaystyle \theta = \frac{\pi}{4}이므로V=22∫012(12−t2)32dt=22∫0π4cos⁡4θdθ\displaystyle V = 2 \sqrt{2} \int_{0}^{\frac{1}{2}} \left( \frac{1}{2} - t^{2} \right)^{\frac{3}{2}} d t = \frac{\sqrt{2}}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \cos^{4} \theta d \theta

제시문 (라)를 이용하면V=22∫0π4(cos⁡2θ)2dθ=22∫0π4(cos⁡2θ+12)2dθ=28∫0π4(cos⁡22θ+2cos⁡2θ+1)dθ=28∫0π4(cos⁡4θ+12+2cos⁡2θ+1)dθ=28[18sin⁡4θ+sin⁡2θ+32θ]0π4=28+3264π\displaystyle \begin{aligned}V&=\frac{\sqrt2}2\int_0^{\frac\pi4}(\cos^2\theta)^2d\theta\\&=\frac{\sqrt2}2\int_0^{\frac\pi4}\left(\frac{\cos2\theta+1}2\right)^2d\theta\\&=\frac{\sqrt2}8\int_0^{\frac\pi4}(\cos^22\theta+2\cos2\theta+1)d\theta\\&=\frac{\sqrt2}8\int_0^{\frac\pi4}\left(\frac{\cos4\theta+1}2+2\cos2\theta+1\right)d\theta\\&=\frac{\sqrt2}8\Biggl[\frac18\sin4\theta+\sin2\theta+\frac32\theta\Biggr]_0^{\frac\pi4}\\&=\frac{\sqrt2}8+\frac{3\sqrt2}{64}\pi\end{aligned}

그러므로 주어진 입체의 부피는 28+3264π\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{8} + \frac{{3 \sqrt{2}}}{64} \pi이다.

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