수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 구 x2+y2+z2=1\displaystyle x^2+y^2+z^2=1과 평면 −x+2y+3z=1\displaystyle -x+2y+3z=1이 만나서 만드는 원의 중심을 A\displaystyle A라 하자.

구 x2+y2+z2=1\displaystyle x^2+y^2+z^2=1과 평면 x+z=1\displaystyle x+z=1이 만나서 만드는 원 D\displaystyle D의 중심을 B\displaystyle B라 하자.

구와 평면이 만나는 원 D 위의 점 P 및 중심 A B

(2-1) A\displaystyle A를 구하시오. (60점)

(2-2) cos⁡(∠AOB)\displaystyle \cos(\angle AOB)를 구하시오. (60점)

(2-3) D\displaystyle D위의 임의의 점을 P\displaystyle P라 할 때, OP→⋅OA→\displaystyle \overrightarrow{OP}\cdot\overrightarrow{OA}의 최솟값을 구하시오. (60점)

해설강의 준비중
+20점 · OA→\displaystyle \overrightarrow{OA}와 (−1,2,3)\displaystyle (-1,2,3)이 평행함을 알면

(2-1) OA→\displaystyle \overrightarrow{OA}가 평면 −x+2y+3z=1\displaystyle -x+2y+3z=1에 수직이므로 OA→\displaystyle \overrightarrow{OA}와 (−1,2,3)\displaystyle (-1,2,3)는 평행하다.

+20점 · OA→=(−t,2t,3t)\displaystyle \overrightarrow{OA}=(-t,2t,3t)라 놓으면

그러므로 OA→=(−t,2t,3t)\displaystyle \overrightarrow{OA}=(-t,2t,3t)이고

+20점 · 최종적으로 A\displaystyle A를 구하면

A\displaystyle A는 평면 −x+2y+3z=1\displaystyle -x+2y+3z=1 위에 있으므로 t+4t+9t=1\displaystyle t+4t+9t=1이다. 따라서 t=114\displaystyle t=\frac1{14}이고 A(−114,17,314)\displaystyle A\left(-\frac1{14},\frac17,\frac3{14}\right)이다.

+30점 · (2-1)과 같은 방법으로 B\displaystyle B를 구하면

(2-2) OB→\displaystyle \overrightarrow{OB}가 평면 x+z=1\displaystyle x+z=1에 수직이므로 OB→\displaystyle \overrightarrow{OB}와 (1,0,1)\displaystyle (1,0,1)은 평행하다. 그러므로 OB→=(t,0,t)\displaystyle \overrightarrow{OB}=(t,0,t)이고 B\displaystyle B는 평면 x+z=1\displaystyle x+z=1 위에 있으므로 t+t=1\displaystyle t+t=1이다. 따라서 t=12\displaystyle t=\frac12이고 B(12,0,12)\displaystyle B\left(\frac12,0,\frac12\right)이다.

+30점 · 내적을 이용하여 cos⁡(∠AOB)\displaystyle \cos(\angle AOB)를 구하면

∠AOB=α\displaystyle \angle AOB=\alpha라 하고 내적을 계산하면 −128+328=114⋅12cos⁡α\displaystyle -\frac1{28}+\frac3{28}=\frac1{\sqrt{14}}\cdot\frac1{\sqrt2}\cos\alpha가 되어 cos⁡α=17=77\displaystyle \cos\alpha=\frac1{\sqrt7}=\frac{\sqrt7}7이다.

+10점 · ∠POB=π4\displaystyle \angle POB=\frac\pi4임을 계산하면

(2-3) ∠POB=π4\displaystyle \angle POB=\frac\pi4이므로

+20점 · ∠POA\displaystyle \angle POA의 최댓값이 α+π4\displaystyle \alpha+\frac\pi4임을 보이면

∠POA\displaystyle \angle POA의 최댓값은 α+π4\displaystyle \alpha+\frac\pi4이다.

+10점 · cos⁡(∠POA)\displaystyle \cos(\angle POA)의 최솟값은 cos⁡(α+π4)\displaystyle \cos\left(\alpha+\frac\pi4\right)임을 기술하면

따라서 cos⁡(∠POA)\displaystyle \cos(\angle POA)의 최솟값은 cos⁡(α+π4)\displaystyle \cos\left(\alpha+\frac\pi4\right)이다.

+20점 · 최종적으로 올바른 답을 구하면

그러므로 내적 OP→⋅OA→\displaystyle \overrightarrow{OP}\cdot\overrightarrow{OA}의 최솟값은 ∣OP→∣∣OA→∣cos⁡(α+π4)=1⋅114(cos⁡αcos⁡π4−sin⁡αsin⁡π4)\displaystyle |\overrightarrow{OP}||\overrightarrow{OA}|\cos\left(\alpha+\frac\pi4\right)=1\cdot\frac1{\sqrt{14}}\left(\cos\alpha\cos\frac\pi4-\sin\alpha\sin\frac\pi4\right)=114(17⋅12−67⋅12)=1−614\displaystyle =\frac1{\sqrt{14}}\left(\frac1{\sqrt7}\cdot\frac1{\sqrt2}-\frac{\sqrt6}{\sqrt7}\cdot\frac1{\sqrt2}\right)=\frac{1-\sqrt6}{14}이다.

(2-2) (별해) OA→\displaystyle \overrightarrow{OA} 대신에 (−1,2,3)\displaystyle (-1,2,3)을 OB→\displaystyle \overrightarrow{OB} 대신에 (1,0,1)\displaystyle (1,0,1)을 이용하여 계산하여 답을 구하는데 벡터의 방향에 대한 언급이 없으면 (30점)

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