수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 두 직선의 위치 관계

공간에서 두 직선은(1) 평행하거나(2) 만나거나(3) 꼬인 위치에 있다.

(나) 두 직선 사이의 거리

공간에서 꼬인 위치에 있는 두 직선 l1\displaystyle l_1과 l2\displaystyle l_2 사이의 거리는 l1\displaystyle l_1 위의 임의의 점과 l2\displaystyle l_2 위의 임의의 점 사이의 최단거리를 말한다. 즉, 직선 l1\displaystyle l_1 위의 임의의 한 점으로부터, 직선 l2\displaystyle l_2를 포함하고 직선 l1\displaystyle l_1과 만나지 않는 평면 사이의 거리와 같다.

(다) 공간에서 두 직선이 다음과 같이 주어졌다고 하자.l1:x−1=y−23=z+44,l2:x−22=y+13=z2\displaystyle l_1:x-1=\frac{y-2}3=\frac{z+4}4,\quad l_2:\frac{x-2}2=\frac{y+1}3=\frac z2

[3.1] 두 직선 l1\displaystyle l_1과 l2\displaystyle l_2가 꼬인 위치에 있음을 보이시오.

[3.2] 직선 l2\displaystyle l_2를 포함하고, 직선 l1\displaystyle l_1과 만나지 않는 평면 α\displaystyle \alpha의 방정식을 구하시오.

[3.3] 직선 l1\displaystyle l_1과 직선 l2\displaystyle l_2 사이의 거리를 구하시오.

해설강의 준비중

[3.1] 직선 l1\displaystyle l_1의 방향벡터는 d⃗1=(1,3,4)\displaystyle \vec d_1=(1,3,4), 직선 l2\displaystyle l_2의 방향벡터는 d⃗2=(2,3,2)\displaystyle \vec d_2=(2,3,2)이고d⃗1≠kd⃗2\displaystyle \vec d_1\neq k\vec d_2이므로 두 직선은 평행하지 않다.두 직선이 만나려면 l1:x−1=y−23=z+44\displaystyle l_1:x-1=\frac{y-2}3=\frac{z+4}4와 l2:x−22=y+13=z2\displaystyle l_2:\frac{x-2}2=\frac{y+1}3=\frac z2를 동시에 만족하는 x,y,z\displaystyle x,y,z가 있어야 한다.3x−3=y−2,3x−6=2y+2\displaystyle 3x-3=y-2,\quad3x-6=2y+2를 풀면 x=−2\displaystyle x=-2, y=−7\displaystyle y=-7이므로 l1\displaystyle l_1에서는 z=−16\displaystyle z=-16이고, l2\displaystyle l_2에서는 z=−4\displaystyle z=-4이다. 따라서 l1\displaystyle l_1과 l2\displaystyle l_2를 동시에 만족하는 x,y,z\displaystyle x,y,z가 없으므로 두 직선은 만나지 않는다.

[3.2] 평면 α\displaystyle \alpha의 법선벡터를 n⃗=(a,b,c)\displaystyle \vec n=(a,b,c)라고 하면 n⃗\displaystyle \vec n은 d⃗1\displaystyle \vec d_1, d⃗2\displaystyle \vec d_2와 서로 수직이므로n⃗⋅d⃗1=a+3b+4c=0\displaystyle \vec n\cdot\vec d_1=a+3b+4c=0n⃗⋅d⃗2=2a+3b+2c=0\displaystyle \vec n\cdot\vec d_2=2a+3b+2c=0이다. b\displaystyle b를 소거하면 −a+2c=0\displaystyle -a+2c=0이므로 n⃗=(2,−2,1)\displaystyle \vec n=(2,-2,1)이다. 따라서 l2\displaystyle l_2 위의 점, 예를 들면, 점 (2,−1,0)\displaystyle (2,-1,0)을 지나고 n⃗\displaystyle \vec n에 수직인 평면을 구하면 되므로2(x−2)−2(y+1)+z=0\displaystyle 2(x-2)-2(y+1)+z=0,즉, 2x−2y+z−6=0\displaystyle 2x-2y+z-6=0이다.

[3.3] 직선 l1\displaystyle l_1 위의 점 (1,2,−4)\displaystyle (1,2,-4)와 평면 α\displaystyle \alpha 사이의 거리를 구하면d=∣2−4−4−6∣4+4+1=4\displaystyle d=\frac{|2-4-4-6|}{\sqrt{4+4+1}}=4이다.

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