수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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+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.

삼각형 ABC에서 선분 AH와 BG′의 교점
+6점 · 삼각형 ABC에서 AP\displaystyle \overline{\mathrm{AP}^{\prime}} 또는 PH\displaystyle \overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm H}의 길이를 구할 수 있다.

삼각형 BCG′에서 코사인법칙에 의해 BG\displaystyle \overline{\mathrm{BG}^{\prime}}BG2=42+122×4×1×cos60=16+14=13\displaystyle \overline{\mathrm{BG}^{\prime}}^2=4^2+1^2-2\times4\times1\times\cos60^\circ=16+1-4=13이므로 BG=13\displaystyle \overline{\mathrm{BG}^{\prime}}=\sqrt{13}이다.AP:PH=t:1  (t>0),  GP:PB=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)이라 하자.BG=13,  AH=32×4=23\displaystyle \overline{\mathrm{BG}^{\prime}}=\sqrt{13},\;\overline{\mathrm{AH}}=\frac{\sqrt3}2\times4=2\sqrt3이므로PH=23t+1,  PB=13m+1\displaystyle \overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm H}=\frac{2\sqrt3}{t+1},\;\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm B}=\frac{\sqrt{13}}{m+1}삼각형 BHP′은 BHP=90\displaystyle \angle\mathrm{BHP}^{\prime}=90^\circ인 직각삼각형이므로 cos(PBH)=2PB=213m+1=213(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}삼각형 BCG′에서 BG=13,  BC=4,  CG=1\displaystyle \overline{\mathrm{BG}^{\prime}}=\sqrt{13},\;\overline{\mathrm{BC}}=4,\;\overline{\mathrm{CG}^{\prime}}=1이므로 코사인법칙에 의해cos(GBC)=(13)2+42122×13×4=71326\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}이다.cos(PBH)=cos(GBC)\displaystyle \cos(\angle\mathrm P^{\prime}\mathrm{BH})=\cos(\angle\mathrm G^{\prime}\mathrm{BC})이므로 213(m+1)13=71326\displaystyle \frac{2\sqrt{13}(m+1)}{13}=\frac{7\sqrt{13}}{26}에서m=34\displaystyle m=\frac34이고 cos(PBH)=71326\displaystyle \cos(\angle\mathrm P^{\prime}\mathrm{BH})=\frac{7\sqrt{13}}{26}이다.sin(PBH)=1cos2(PBH)=1(71326)2=3926\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}삼각형 BHP′은 BHP=90\displaystyle \angle\mathrm{BHP}^{\prime}=90^\circ인 직각삼각형이므로 sin(PBH)=PHPB=23t+14137=73926(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)}

+2점 · AP:PH\displaystyle \overline{\mathrm{AP}^{\prime}}:\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm H}의 비율을 구할 수 있다.

이므로 3926=73926(t+1)\displaystyle \frac{\sqrt{39}}{26}=\frac{7\sqrt{39}}{26(t+1)}에서 t=6\displaystyle t=6이다.

+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)라 하면 삼각형 PQR은 밑변의 길이가 PQ=267\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=\frac{26}7이고높이가 r\displaystyle r인 삼각형이다. 즉, 삼각형 PQR의 넓이는 267×r×12=137r\displaystyle \frac{26}7\times r\times\frac12=\frac{13}7r이고 137r=137\displaystyle \frac{13}7r=\frac{13}7에서 r=1\displaystyle r=1점 R이 나타내는 도형은 삼각형 EGI 내부의 점 중에서 직선 PQ까지의 거리가 1인 점들이 나타내는 도형이다.

직선 PQ까지 거리가 1인 점들이 이루는 도형
+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 AP:PH=6:1\displaystyle \overline{\mathrm{AP}^{\prime}}:\overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm H}=6:1이므로 AP=67×23=1237\displaystyle \overline{\mathrm{AP}^{\prime}}=\frac67\times2\sqrt3=\frac{12\sqrt3}7이다.점 P′에서 직선 AC에 내린 수선의 발을 J라 하면 PAJ=30\displaystyle \angle\mathrm P^{\prime}\mathrm{AJ}=30^\circ이고 직선 AP′는 CAB\displaystyle \angle\mathrm{CAB}의 이등분선이므로 점 P′에서 두 직선 AB, AC까지의 거리는 모두 선분 P′J의 길이와 같다.PJ=AP×sin30=1237×12=637\displaystyle \overline{\mathrm P^{\prime}\mathrm J}=\overline{\mathrm{AP}^{\prime}}\times\sin30^\circ=\frac{12\sqrt3}7\times\frac12=\frac{6\sqrt3}7이고 637=1087>497=1\displaystyle \frac{6\sqrt3}7=\frac{\sqrt{108}}7>\frac{\sqrt{49}}7=1이므로 삼각형 EGI내부의 점 R에 대하여 삼각형 PQR의 넓이가 137\displaystyle \frac{13}7이 되도록 하는 모든 점 R이 나타내는 도형을 D\displaystyle D라 하면 도형 D\displaystyle D의 평면 ABC 위로의 정사영은 중심이 P′이고 반지름의 길이가 1이며 삼각형 ABG′ 내부에 있는 반원이다.

도형 D의 평면 ABC 위로의 정사영인 반원
+8점 · 평면 ABC와 평면 EGI가 이루는 이면각 θ\displaystyle \theta에 대한 cosθ\displaystyle \cos\theta의 값을 구할 수 있다.

도형 D\displaystyle D와 선분 EG로 둘러싸인 부분의 넓이를 S\displaystyle S라 하고, 평면 EGI와 평면 ABC가 이루는 각의 크기를θ  (0θ90)\displaystyle \theta\;(0^\circ\le\theta\le90^\circ)라 하면 S×cosθ=π2\displaystyle S\times\cos\theta=\frac\pi2이다.한편 삼각형 PBP′와 삼각형 GBG′는 서로 닮음이고 닮음비는 4:7\displaystyle 4:7이므로 PP=8×47=327\displaystyle \overline{\mathrm{PP}^{\prime}}=8\times\frac47=\frac{32}7이고삼각형 QHP′와 삼각형 IHA는 서로 닮음이고 닮음비는 1:7\displaystyle 1:7이므로 QP=17AI\displaystyle \overline{\mathrm{QP}^{\prime}}=\frac17\overline{\mathrm{AI}}이다.PQ=PPQP=17(32AI)=267\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=\overline{\mathrm{PP}^{\prime}}-\overline{\mathrm{QP}^{\prime}}=\frac17(32-\overline{\mathrm{AI}})=\frac{26}7이므로 AI=6\displaystyle \overline{\mathrm{AI}}=6이다.삼각형 EGI에서 GI=DG2+DI2=32+22=13,  EI=DE2+DI2=42+22=25\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,GE=13\displaystyle \overline{\mathrm{GE}}=\sqrt{13}이므로 삼각형 EGI는 GI=GE=13\displaystyle \overline{\mathrm{GI}}=\overline{\mathrm{GE}}=\sqrt{13}인 이등변삼각형이고 선분 EI를 밑변이라 하면높이는 (13)2(5)2=22\displaystyle \sqrt{(\sqrt{13})^2-(\sqrt5)^2}=2\sqrt2이므로 삼각형 EGI의 넓이는 25×22×12=210\displaystyle 2\sqrt5\times2\sqrt2\times\frac12=2\sqrt{10}이다.삼각형 EGI의 평면 ABC 위로의 정사영은 삼각형 BG′A이고 그 넓이는 34×42×34=33\displaystyle \frac{\sqrt3}4\times4^2\times\frac34=3\sqrt3이므로210×cosθ=33\displaystyle 2\sqrt{10}\times\cos\theta=3\sqrt3에서 cosθ=33020\displaystyle \cos\theta=\frac{3\sqrt{30}}{20}

+5점 · 정사영을 이용하여 도형의 넓이를 구할 수 있다.

따라서 S×33020=π2\displaystyle S\times\frac{3\sqrt{30}}{20}=\frac\pi2에서 S=30π9\displaystyle S=\frac{\sqrt{30}\pi}9이다.

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