+2점 · 점 G에서 평면 ABC에 내린 수선의 발은 선분 AC 위에 있음을 서술할 수 있다. [3-1] 점 G에서 평면 ABC에 내린 수선의 발 G′는 선분 AC 위의 점이다.
+6점 · 삼각형 ABC에서 A P ′ ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{AP}^{\prime}} AP ′ 또는 P ′ H ‾ \displaystyle \overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm H} P ′ H 의 길이를 구할 수 있다. 삼각형 BCG′에서 코사인법칙에 의해 B G ′ ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{BG}^{\prime}} BG ′ 는 B G ′ ‾ 2 = 4 2 + 1 2 − 2 × 4 × 1 × cos 60 ∘ = 16 + 1 − 4 = 13 \displaystyle \overline{\mathrm{BG}^{\prime}}^2=4^2+1^2-2\times4\times1\times\cos60^\circ=16+1-4=13 BG ′ 2 = 4 2 + 1 2 − 2 × 4 × 1 × cos 6 0 ∘ = 16 + 1 − 4 = 13 이므로 B G ′ ‾ = 13 \displaystyle \overline{\mathrm{BG}^{\prime}}=\sqrt{13} BG ′ = 13 이다. A P ′ ‾ : P ′ H ‾ = t : 1 ( t > 0 ) , G ′ P ′ ‾ : P ′ B ‾ = m : 1 ( m > 0 ) \displaystyle \overline{\mathrm{AP}^{\prime}}:\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm H}=t:1\;(t>0),\;\overline{\mathrm G^{\prime}\mathrm P^{\prime}}:\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm B}=m:1\;(m>0) AP ′ : P ′ H = t : 1 ( t > 0 ) , G ′ P ′ : P ′ B = m : 1 ( m > 0 ) 이라 하자.B G ′ ‾ = 13 , A H ‾ = 3 2 × 4 = 2 3 \displaystyle \overline{\mathrm{BG}^{\prime}}=\sqrt{13},\;\overline{\mathrm{AH}}=\frac{\sqrt3}2\times4=2\sqrt3 BG ′ = 13 , AH = 2 3 × 4 = 2 3 이므로P ′ H ‾ = 2 3 t + 1 , P ′ B ‾ = 13 m + 1 \displaystyle \overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm H}=\frac{2\sqrt3}{t+1},\;\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm B}=\frac{\sqrt{13}}{m+1} P ′ H = t + 1 2 3 , P ′ B = m + 1 13 삼각형 BHP′은 ∠ B H P ′ = 90 ∘ \displaystyle \angle\mathrm{BHP}^{\prime}=90^\circ ∠ BHP ′ = 9 0 ∘ 인 직각삼각형이므로 cos ( ∠ P ′ B H ) = 2 P ′ B ‾ = 2 13 m + 1 = 2 13 ( m + 1 ) 13 \displaystyle \cos(\angle\mathrm P^{\prime}\mathrm{BH})=\frac2{\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm B}}=\frac2{\dfrac{\sqrt{13}}{m+1}}=\frac{2\sqrt{13}(m+1)}{13} cos ( ∠ P ′ BH ) = P ′ B 2 = m + 1 13 2 = 13 2 13 ( m + 1 ) 삼각형 BCG′에서 B G ′ ‾ = 13 , B C ‾ = 4 , C G ′ ‾ = 1 \displaystyle \overline{\mathrm{BG}^{\prime}}=\sqrt{13},\;\overline{\mathrm{BC}}=4,\;\overline{\mathrm{CG}^{\prime}}=1 BG ′ = 13 , BC = 4 , CG ′ = 1 이므로 코사인법칙에 의해 cos ( ∠ G ′ B C ) = ( 13 ) 2 + 4 2 − 1 2 2 × 13 × 4 = 7 13 26 \displaystyle \cos(\angle\mathrm G^{\prime}\mathrm{BC})=\frac{(\sqrt{13})^2+4^2-1^2}{2\times\sqrt{13}\times4}=\frac{7\sqrt{13}}{26} cos ( ∠ G ′ BC ) = 2 × 13 × 4 ( 13 ) 2 + 4 2 − 1 2 = 26 7 13 이다.cos ( ∠ P ′ B H ) = cos ( ∠ G ′ B C ) \displaystyle \cos(\angle\mathrm P^{\prime}\mathrm{BH})=\cos(\angle\mathrm G^{\prime}\mathrm{BC}) cos ( ∠ P ′ BH ) = cos ( ∠ G ′ BC ) 이므로 2 13 ( m + 1 ) 13 = 7 13 26 \displaystyle \frac{2\sqrt{13}(m+1)}{13}=\frac{7\sqrt{13}}{26} 13 2 13 ( m + 1 ) = 26 7 13 에서m = 3 4 \displaystyle m=\frac34 m = 4 3 이고 cos ( ∠ P ′ B H ) = 7 13 26 \displaystyle \cos(\angle\mathrm P^{\prime}\mathrm{BH})=\frac{7\sqrt{13}}{26} cos ( ∠ P ′ BH ) = 26 7 13 이다.sin ( ∠ P ′ B H ) = 1 − cos 2 ( ∠ P ′ B H ) = 1 − ( 7 13 26 ) 2 = 39 26 \displaystyle \sin(\angle\mathrm P^{\prime}\mathrm{BH})=\sqrt{1-\cos^2(\angle\mathrm P^{\prime}\mathrm{BH})}=\sqrt{1-\left(\frac{7\sqrt{13}}{26}\right)^2}=\frac{\sqrt{39}}{26} sin ( ∠ P ′ BH ) = 1 − cos 2 ( ∠ P ′ BH ) = 1 − ( 26 7 13 ) 2 = 26 39 삼각형 BHP′은 ∠ B H P ′ = 90 ∘ \displaystyle \angle\mathrm{BHP}^{\prime}=90^\circ ∠ BHP ′ = 9 0 ∘ 인 직각삼각형이므로 sin ( ∠ P ′ B H ) = P ′ H ‾ P ′ B ‾ = 2 3 t + 1 4 13 7 = 7 39 26 ( t + 1 ) \displaystyle \sin(\angle\mathrm P^{\prime}\mathrm{BH})=\frac{\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm H}}{\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm B}}=\frac{\dfrac{2\sqrt3}{t+1}}{\dfrac{4\sqrt{13}}7}=\frac{7\sqrt{39}}{26(t+1)} sin ( ∠ P ′ BH ) = P ′ B P ′ H = 7 4 13 t + 1 2 3 = 26 ( t + 1 ) 7 39
+2점 · A P ′ ‾ : P ′ H ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{AP}^{\prime}}:\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm H} AP ′ : P ′ H 의 비율을 구할 수 있다. 이므로 39 26 = 7 39 26 ( t + 1 ) \displaystyle \frac{\sqrt{39}}{26}=\frac{7\sqrt{39}}{26(t+1)} 26 39 = 26 ( t + 1 ) 7 39 에서 t = 6 \displaystyle t=6 t = 6 이다.
+6점 · 넓이 조건으로부터 점 R은 직선 PQ를 축으로 하고 축과의 거리가 1인 원기둥 위에 있어야 함을 서술할 수 있다. [3-2] 두 점 P, Q는 각각 선분 BG, 선분 HI 위의 점이므로 두 점 P, Q에서 평면 ABC에 내린 수선의 발은 점 P′이다. 즉, 직선 PQ와 평면 EGI의 교점은 선분 EG 위에 있으므로 삼각형 EGI 내부의 점 R은 직선 PQ 위의 점이 아니다. 삼각형 EGI 내부의 점 R에서 직선 PQ까지의 거리를 r ( r > 0 ) \displaystyle r\;(r>0) r ( r > 0 ) 라 하면 삼각형 PQR은 밑변의 길이가 P Q ‾ = 26 7 \displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=\frac{26}7 PQ = 7 26 이고 높이가 r \displaystyle r r 인 삼각형이다. 즉, 삼각형 PQR의 넓이는 26 7 × r × 1 2 = 13 7 r \displaystyle \frac{26}7\times r\times\frac12=\frac{13}7r 7 26 × r × 2 1 = 7 13 r 이고 13 7 r = 13 7 \displaystyle \frac{13}7r=\frac{13}7 7 13 r = 7 13 에서 r = 1 \displaystyle r=1 r = 1 점 R이 나타내는 도형은 삼각형 EGI 내부의 점 중에서 직선 PQ까지의 거리가 1인 점들이 나타내는 도형이다.
+6점 · 점 R이 나타내는 도형의 평면 ABC 위로의 정사영은 중심이 점 P′이고 삼각형 ABG′ 내부에 있는 반지름의 길이가 1인 반원임을 서술할 수 있다. 한편 A P ′ ‾ : P ′ H ‾ = 6 : 1 \displaystyle \overline{\mathrm{AP}^{\prime}}:\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm H}=6:1 AP ′ : P ′ H = 6 : 1 이므로 A P ′ ‾ = 6 7 × 2 3 = 12 3 7 \displaystyle \overline{\mathrm{AP}^{\prime}}=\frac67\times2\sqrt3=\frac{12\sqrt3}7 AP ′ = 7 6 × 2 3 = 7 12 3 이다. 점 P′에서 직선 AC에 내린 수선의 발을 J라 하면 ∠ P ′ A J = 30 ∘ \displaystyle \angle\mathrm P^{\prime}\mathrm{AJ}=30^\circ ∠ P ′ AJ = 3 0 ∘ 이고 직선 AP′는 ∠ C A B \displaystyle \angle\mathrm{CAB} ∠ CAB 의 이등분선이므로 점 P′에서 두 직선 AB, AC까지의 거리는 모두 선분 P′J의 길이와 같다. P ′ J ‾ = A P ′ ‾ × sin 30 ∘ = 12 3 7 × 1 2 = 6 3 7 \displaystyle \overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm J}=\overline{\mathrm{AP}^{\prime}}\times\sin30^\circ=\frac{12\sqrt3}7\times\frac12=\frac{6\sqrt3}7 P ′ J = AP ′ × sin 3 0 ∘ = 7 12 3 × 2 1 = 7 6 3 이고 6 3 7 = 108 7 > 49 7 = 1 \displaystyle \frac{6\sqrt3}7=\frac{\sqrt{108}}7>\frac{\sqrt{49}}7=1 7 6 3 = 7 108 > 7 49 = 1 이므로 삼각형 EGI내부의 점 R에 대하여 삼각형 PQR의 넓이가 13 7 \displaystyle \frac{13}7 7 13 이 되도록 하는 모든 점 R이 나타내는 도형을 D \displaystyle D D 라 하면 도형 D \displaystyle D D 의 평면 ABC 위로의 정사영은 중심이 P′이고 반지름의 길이가 1이며 삼각형 ABG′ 내부에 있는 반원이다.
+8점 · 평면 ABC와 평면 EGI가 이루는 이면각 θ \displaystyle \theta θ 에 대한 cos θ \displaystyle \cos\theta cos θ 의 값을 구할 수 있다. 도형 D \displaystyle D D 와 선분 EG로 둘러싸인 부분의 넓이를 S \displaystyle S S 라 하고, 평면 EGI와 평면 ABC가 이루는 각의 크기를 θ ( 0 ∘ ≤ θ ≤ 90 ∘ ) \displaystyle \theta\;(0^\circ\le\theta\le90^\circ) θ ( 0 ∘ ≤ θ ≤ 9 0 ∘ ) 라 하면 S × cos θ = π 2 \displaystyle S\times\cos\theta=\frac\pi2 S × cos θ = 2 π 이다.한편 삼각형 PBP′와 삼각형 GBG′는 서로 닮음이고 닮음비는 4 : 7 \displaystyle 4:7 4 : 7 이므로 P P ′ ‾ = 8 × 4 7 = 32 7 \displaystyle \overline{\mathrm{PP}^{\prime}}=8\times\frac47=\frac{32}7 PP ′ = 8 × 7 4 = 7 32 이고 삼각형 QHP′와 삼각형 IHA는 서로 닮음이고 닮음비는 1 : 7 \displaystyle 1:7 1 : 7 이므로 Q P ′ ‾ = 1 7 A I ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{QP}^{\prime}}=\frac17\overline{\mathrm{AI}} QP ′ = 7 1 AI 이다. P Q ‾ = P P ′ ‾ − Q P ′ ‾ = 1 7 ( 32 − A I ‾ ) = 26 7 \displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=\overline{\mathrm{PP}^{\prime}}-\overline{\mathrm{QP}^{\prime}}=\frac17(32-\overline{\mathrm{AI}})=\frac{26}7 PQ = PP ′ − QP ′ = 7 1 ( 32 − AI ) = 7 26 이므로 A I ‾ = 6 \displaystyle \overline{\mathrm{AI}}=6 AI = 6 이다.삼각형 EGI에서 G I ‾ = D G ‾ 2 + D I ‾ 2 = 3 2 + 2 2 = 13 , E I ‾ = D E ‾ 2 + D I ‾ 2 = 4 2 + 2 2 = 2 5 \displaystyle \overline{\mathrm{GI}}=\sqrt{\overline{\mathrm{DG}}^2+\overline{\mathrm{DI}}^2}=\sqrt{3^2+2^2}=\sqrt{13},\;\overline{\mathrm{EI}}=\sqrt{\overline{\mathrm{DE}}^2+\overline{\mathrm{DI}}^2}=\sqrt{4^2+2^2}=2\sqrt5 GI = DG 2 + DI 2 = 3 2 + 2 2 = 13 , EI = DE 2 + DI 2 = 4 2 + 2 2 = 2 5 , G E ‾ = 13 \displaystyle \overline{\mathrm{GE}}=\sqrt{13} GE = 13 이므로 삼각형 EGI는 G I ‾ = G E ‾ = 13 \displaystyle \overline{\mathrm{GI}}=\overline{\mathrm{GE}}=\sqrt{13} GI = GE = 13 인 이등변삼각형이고 선분 EI를 밑변이라 하면높이는 ( 13 ) 2 − ( 5 ) 2 = 2 2 \displaystyle \sqrt{(\sqrt{13})^2-(\sqrt5)^2}=2\sqrt2 ( 13 ) 2 − ( 5 ) 2 = 2 2 이므로 삼각형 EGI의 넓이는 2 5 × 2 2 × 1 2 = 2 10 \displaystyle 2\sqrt5\times2\sqrt2\times\frac12=2\sqrt{10} 2 5 × 2 2 × 2 1 = 2 10 이다. 삼각형 EGI의 평면 ABC 위로의 정사영은 삼각형 BG′A이고 그 넓이는 3 4 × 4 2 × 3 4 = 3 3 \displaystyle \frac{\sqrt3}4\times4^2\times\frac34=3\sqrt3 4 3 × 4 2 × 4 3 = 3 3 이므로 2 10 × cos θ = 3 3 \displaystyle 2\sqrt{10}\times\cos\theta=3\sqrt3 2 10 × cos θ = 3 3 에서 cos θ = 3 30 20 \displaystyle \cos\theta=\frac{3\sqrt{30}}{20} cos θ = 20 3 30
+5점 · 정사영을 이용하여 도형의 넓이를 구할 수 있다. 따라서 S × 3 30 20 = π 2 \displaystyle S\times\frac{3\sqrt{30}}{20}=\frac\pi2 S × 20 3 30 = 2 π 에서 S = 30 π 9 \displaystyle S=\frac{\sqrt{30}\pi}9 S = 9 30 π 이다.