수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 벡터의 내적벡터 v⃗=(v1,v2,v3),w⃗=(w1,w2,w3)\displaystyle \vec v=(v_1,v_2,v_3),\vec w=(w_1,w_2,w_3)에 대해서, 두 벡터의 내적 v⃗⋅w⃗\displaystyle \vec v\cdot\vec w는v⃗⋅w⃗=v1w1+v2w2+v3w3\displaystyle \vec v\cdot\vec w=v_1w_1+v_2w_2+v_3w_3로 정의한다. 특히 두 벡터가 수직일 필요충분조건은 v⃗⋅w⃗=0\displaystyle \vec v\cdot\vec w=0이다.

(나) 평면의 방정식점 (x0,y0,z0)\displaystyle (x_0,y_0,z_0)을 지나고, 영벡터가 아닌 벡터 (a,b,c)\displaystyle (a,b,c)에 수직이 되는 평면의 방정식은a(x−x0)+b(y−y0)+c(z−z0)=0\displaystyle a(x-x_0)+b(y-y_0)+c(z-z_0)=0이다.

S\displaystyle S는 중심이 원점이고 반지름이 4인 구이고 T\displaystyle T는 벡터 (1,1,1)과 수직이고 원점으로부터 거리가 3이 되는 평면이다.

[3.1] 평면 T\displaystyle T의 방정식을 구하시오.

[3.2] 구 S\displaystyle S와 평면 T\displaystyle T가 만나서 생기는 원의 넓이를 구하시오.

[3.3] 위의 [3.2]에서 생기는 원을 수직이등분하는 평면의 방정식을 ax+by+cz=d\displaystyle ax+by+cz=d로 나타내자. a,b,c,d\displaystyle a,b,c,d가 정수일 때, ∣a∣+∣b∣+∣c∣+∣d∣\displaystyle |a|+|b|+|c|+|d|의 값을 최소로 하는 평면의 방정식을 구하시오.

해설강의 준비중

[3.1] 평면 T\displaystyle T의 방정식을 x+y+z=d\displaystyle x+y+z=d라고 하면 점과 평면 사이의 거리공식에 의하여 ∣d∣3=3\displaystyle \frac{|d|}{\sqrt3}=3이므로 d=±33\displaystyle d=\pm3\sqrt3이 된다. 따라서 x+y+z=±33\displaystyle x+y+z=\pm3\sqrt3이다.

[3.2] 구와 평면이 만나서 생기는 원의 반지름을 r\displaystyle r이라 하면 32+r2=42\displaystyle 3^2+r^2=4^2를 만족해야 하므로 r=7\displaystyle r=\sqrt7이다. 따라서 구하는 원의 넓이는 7π\displaystyle 7\pi가 된다.

[3.3] 구하는 평면은 평면 T\displaystyle T에 수직하고 원점을 지난다. 따라서 d=0\displaystyle d=0이다. 또한 구하는 평면의 법선벡터 (a,b,c)\displaystyle (a,b,c)는 (1,1,1)\displaystyle (1,1,1)에 수직하므로 a+b+c=0\displaystyle a+b+c=0을 만족한다. 이제∣a∣+∣b∣+∣c∣+∣d∣=∣a∣+∣b∣+∣−a−b∣=∣a∣+∣b∣+∣a+b∣\displaystyle |a|+|b|+|c|+|d|=|a|+|b|+|-a-b|=|a|+|b|+|a+b|를 최소로 하기 위해서는 (a,b,c)≠(0,0,0)\displaystyle (a,b,c)\neq(0,0,0)이므로,(a,b,c)=(±1,∓1,0), (a,b,c)=(0,±1,∓1), (a,b,c)=(±1,0,∓1)\displaystyle (a,b,c)=(\pm1,\mp1,0),\,(a,b,c)=(0,\pm1,\mp1),\,(a,b,c)=(\pm1,0,\mp1)이 되어야 한다. 따라서 구하는 평면의 방정식은 x=y, y=z, x=z\displaystyle x=y,\,y=z,\,x=z이다.

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