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자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
사면체 ABCD의 공간좌표와 중점 P, Q

[1.1] 삼각형 ABC는 한 모서리의 길이가 6\displaystyle 6이므로 좌표공간에서 세 점 A, B, C의 좌표는 각각 (3,3,0)\displaystyle (-3,-\sqrt3,0), (3,3,0)\displaystyle (3,-\sqrt3,0), (0,23,0)\displaystyle (0,2\sqrt3,0)이다. 사면체의 높이를 h\displaystyle h라고 가정하면 꼭지점 D의 좌표는 (0,0,h)\displaystyle (0,0,h)이다.점 P는 AD의 중점이고 점 Q는 선분 CD의 중점이므로 두 점 P, Q의 좌표는 (32,32,h2)\displaystyle \left(-\frac32,-\frac{\sqrt3}2,\frac h2\right), (0,3,h2)\displaystyle \left(0,\sqrt3,\frac h2\right)이다.OQ\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}}OP\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}가 수직이므로OPOQ=(32,32,h2)(0,3,h2)=032+h24=0\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OQ}}=\left(-\frac32,-\frac{\sqrt3}2,\frac h2\right)\cdot\left(0,\sqrt3,\frac h2\right)=0-\frac32+\frac{h^2}4=0이다. 따라서 h=6\displaystyle h=\sqrt6이다.

[1.2] 삼각형 ABC는 한 모서리의 길이가 6\displaystyle 6이므로 좌표공간에서 세 점 A, B, C의 좌표는 각각 (3,3,0)\displaystyle (-3,-\sqrt3,0), (3,3,0)\displaystyle (3,-\sqrt3,0), (0,23,0)\displaystyle (0,2\sqrt3,0)이다. 사면체의 높이가 6\displaystyle 6이므로 꼭지점 D의 좌표는 (0,0,6)\displaystyle (0,0,6)이다. 이때 선분 BC와 x\displaystyle x축이 만나는 점을 S라 하면 이 점의 좌표는 (2,0,0)\displaystyle (2,0,0)이다.따라서 삼각형 BCD를 지나는 평면의 방정식은 다음과 같다.x2+y23+z6=112x+36y+16z1=0\displaystyle \frac x2+\frac y{2\sqrt3}+\frac z6=1\Rightarrow\frac12x+\frac{\sqrt3}6y+\frac16z-1=0이 평면과 원점과의 거리를 구하면 다음과 같다.d=1(12)2+(36)2+(16)2=61313\displaystyle d=\frac{|-1|}{\sqrt{\left(\frac12\right)^2+\left(\frac{\sqrt3}6\right)^2+\left(\frac16\right)^2}}=\frac{6\sqrt{13}}{13}

[1.3] 정사면체이므로 세 점 A, B, C의 좌표는 (3,3,0)\displaystyle (-3,-\sqrt3,0), (3,3,0)\displaystyle (3,-\sqrt3,0), (0,23,0)\displaystyle (0,2\sqrt3,0)이고 점 D의 좌표는 다음과 같다.CD2=OD2+OC262=a2+(23)2a=26,a=26\displaystyle \overline{\mathrm{CD}}^{\,2}=\overline{\mathrm{OD}}^{\,2}+\overline{\mathrm{OC}}^{\,2}\Rightarrow6^2=a^2+(2\sqrt3)^2\Rightarrow a=2\sqrt6,\quad a=2\sqrt6D(0,0,26)\displaystyle \mathrm D(0,0,2\sqrt6)이므로 점 P의 좌표는 (32,32,6)\displaystyle \left(-\frac32,-\frac{\sqrt3}2,\sqrt6\right)이다.선분 BC와 x\displaystyle x축의 교점을 점 E라 하면 이 점의 좌표는 (2,0,0)\displaystyle (2,0,0)이 된다.이 경우 OR\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}은 다음과 같다.OR=OC+tCE=OC+t(OEOC)=(0,23,0)+t(2,23,0)=(2t,23(1t),0)\displaystyle \begin{aligned}\overrightarrow{\mathrm{OR}}&=\overrightarrow{\mathrm{OC}}+t\overrightarrow{\mathrm{CE}}=\overrightarrow{\mathrm{OC}}+t(\overrightarrow{\mathrm{OE}}-\overrightarrow{\mathrm{OC}})=(0,2\sqrt3,0)+t(2,-2\sqrt3,0)\\&=(2t,2\sqrt3(1-t),0)\end{aligned}그런데 POR=120\displaystyle \angle\mathrm{POR}=120^\circ이므로cosθ=OPOROPOR=3t3(1t)+0(32)2+(32)2+(6)2×(2t)2+(23(1t))2=12\displaystyle \cos\theta=\frac{\overrightarrow{\mathrm{OP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OR}}}{|\overrightarrow{\mathrm{OP}}||\overrightarrow{\mathrm{OR}}|}=\frac{-3t-3(1-t)+0}{\sqrt{\left(-\frac32\right)^2+\left(-\frac{\sqrt3}2\right)^2+(\sqrt6)^2}\times\sqrt{(2t)^2+(2\sqrt3(1-t))^2}}=-\frac12이다.정리하면 2t23t+1=0\displaystyle 2t^2-3t+1=0, t=12,1\displaystyle \therefore t=\frac12,1이다.따라서 점 R의 좌표는 (2,0,0)\displaystyle (2,0,0) 또는 (1,3,0)\displaystyle (1,\sqrt3,0)이다.

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