수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
2-1 · 두 점을 지나는 직선의 방정식, 직선과 구의 교점 및 구 위의 점에 접하는 평면의 방정식을 구할 수 있는지 평가한다.

[2–1] 먼저 원점을 중심으로 하고 반지름의 길이가 1\displaystyle 1인 구와 두 점 (12,1,12)\displaystyle \left(\frac12,1,-\frac12\right)(0,3,0)\displaystyle (0,3,0)을 지나는 직선의 교점을 구하자. 직선의 방정식은 x12=y32=z12\displaystyle \frac x{\frac12}=\frac{y-3}{-2}=\frac z{-\frac12}이므로 x12=y32=z12=k\displaystyle \frac x{\frac12}=\frac{y-3}{-2}=\frac z{-\frac12}=k라 놓으면 직선 위의 점은 x=k2,y=2k+3,z=k2\displaystyle x=\frac k2,y=-2k+3,z=-\frac k2로 나타내어진다. 이를 구의 방정식 x2+y2+z2=1\displaystyle x^2+y^2+z^2=1에 대입하면 (k2)2+(2k+3)2+(k2)2=1\displaystyle \left(\frac k2\right)^2+(-2k+3)^2+\left(-\frac k2\right)^2=1이 되어 k=43\displaystyle k=\frac43이다.따라서 점 A의 좌표는 (23,13,23)\displaystyle \left(\frac23,\frac13,-\frac23\right)이 되고 점 A에서 구에 접하는 평면의 방정식은 23(x23)+13(y13)23(z+23)=0\displaystyle \frac23\left(x-\frac23\right)+\frac13\left(y-\frac13\right)-\frac23\left(z+\frac23\right)=0, 즉 2x+y2z=3\displaystyle 2x+y-2z=3이다.

2-2 · 두 점을 지나는 직선의 방정식 및 직선과 원의 교점을 구하고 미분을 이용하여 속도를 구할 수 있는지 평가한다.

[2–2] 시각 t\displaystyle t초에서 전파송신기의 위치는 (0,3,t)\displaystyle (0,3,t)이므로 전파가 도달하지 못하는 구 위의 점은 구와 두 점 (0,2,0)\displaystyle (0,2,0)(0,3,t)\displaystyle (0,3,t)를 지나는 직선의 교점 중 y\displaystyle y좌표가 큰 것이다. (그림 1 참고)

그림 1. yz평면에서 원과 송신기 및 전파방해물을 지나는 직선

(0,2,0)\displaystyle (0,2,0)(0,3,t)\displaystyle (0,3,t)를 지나는 직선의 방정식은 x=0,y21=zt\displaystyle x=0,\frac{y-2}1=\frac zt이므로 y21=zt=k\displaystyle \frac{y-2}1=\frac zt=k라 놓으면 직선 위의 점은 x=0,y=k+2,z=tk\displaystyle x=0,y=k+2,z=tk로 나타내어진다. 이를 구의 방정식 x2+y2+z2=1\displaystyle x^2+y^2+z^2=1에 대입하면, (k+2)2+t2k2=1\displaystyle (k+2)^2+t^2k^2=1, 즉, (t2+1)k2+4k+3=0\displaystyle (t^2+1)k^2+4k+3=0을 얻는다.따라서 k=2t±3t2+1t2+1\displaystyle k=\frac{-2t\pm\sqrt{-3t^2+1}}{t^2+1}인데 구와 직선의 두 교점 중 y\displaystyle y좌표가 큰 것이 우리가 구하고자 하는 점이므로 y=k+2\displaystyle y=k+2로부터 k=2+3t2+1t2+1\displaystyle k=\frac{-2+\sqrt{-3t^2+1}}{t^2+1}임을 알 수 있다.Correction. 첫 번째 근의 공식에서 분자의 2t\displaystyle -2t2\displaystyle -2의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.그러므로 vy(t)=dydt=dkdt=(6t23t2+1)(t2+1)(2+3t2+1)2t(t2+1)2\displaystyle v_y(t)=\frac{dy}{dt}=\frac{dk}{dt}=\frac{\left(\frac{-6t}{2\sqrt{-3t^2+1}}\right)(t^2+1)-(-2+\sqrt{-3t^2+1})\cdot2t}{(t^2+1)^2}가 되어 vy(12)=3625\displaystyle v_y\left(\frac12\right)=-\frac{36}{25}이다.

2-3 · 정적분을 활용하여 입체도형의 부피를 구할 수 있는지 평가한다.

[2–3] 시각 t\displaystyle t초에서 전파송신기가 위치하는 점 P의 좌표는 (0,t+3,0)\displaystyle (0,t+3,0)이다. 원점과 평면 β\displaystyle \beta의 거리 d\displaystyle d를 구하기 위하여 그림 2와 같이 yz\displaystyle yz평면 위에서 생각하자.

그림 2. 단위 원의 접점 Q와 송신기 P 및 수선의 발 H

점 P를 지나면서 원에 접하는 한 점을 Q라 하고 점 Q에서 y\displaystyle y축에 내린 수선의 발을 H라 하면 d=OH\displaystyle d=\overline{\mathrm{OH}}이다. 이때 삼각형 OHQ와 OQP는 서로 닮은 삼각형이므로 d:1=1:(t+3)\displaystyle d:1=1:(t+3)이 되어 d=1t+3\displaystyle d=\frac1{t+3}이다.1t+3y1\displaystyle \frac1{t+3}\le y\le1에 대하여 구를 y\displaystyle y축에 수직인 평면으로 자른 단면의 넓이는 π(1y2)\displaystyle \pi(1-y^2)이므로 α\displaystyle \alphaβ\displaystyle \beta로 둘러싸인 입체의 부피는1t+31π(1y2)dy=π[yy33]1t+31=π(231t+3+13(t+3)3)\displaystyle \int_{\frac1{t+3}}^1\pi(1-y^2)\,dy=\pi\Biggl[y-\frac{y^3}3\Biggr]_{\frac1{t+3}}^1=\pi\left(\frac23-\frac1{t+3}+\frac1{3(t+3)^3}\right)이다. (그림 3 참고)

그림 3. 구를 평면으로 잘라 얻은 전파 도달 부분
2-4 · 구, 직선, 원의 관계 및 호도법을 이해하여 부채꼴의 호의 길이를 구할 수 있는지 평가한다.

[2–4] B가 지나는 점들은 직선 l\displaystyle l로부터 거리가 일정한 구 위의 점이므로 원을 이룬다. t=0\displaystyle t=0일 때 B의 위치가 (0,0,1)\displaystyle (0,0,1)이고 직선 l\displaystyle l의 방정식이 x=0,y=z\displaystyle x=0,y=z이기 때문에 이 원은 그림 4와 같이 두 점 (0,0,1)\displaystyle (0,0,1)(0,1,0)\displaystyle (0,1,0)을 잇는 선분을 지름으로 하고 벡터 (0,1,1)\displaystyle (0,1,1)에 수직인 평면 위에 놓이고원의 중심 C의 좌표는 (0,12,12)\displaystyle \left(0,\frac12,\frac12\right)이며 반지름의 길이는 (12)2+(12)2=22\displaystyle \sqrt{\left(\frac12\right)^2+\left(\frac12\right)^2}=\frac{\sqrt2}2이다.

그림 4. 회전축 l에 수직인 점 B의 원 궤도와 중심 C

한편, 전파송신기의 위치가 (2,0,0)\displaystyle (2,0,0)이므로 문제 [2–3]에서와 같은 방법으로 계산하면 H의 좌표는 (12,0,0)\displaystyle \left(\frac12,0,0\right)이다. (그림 5 참고)

그림 5. x축 위 송신기 P에서 단위 원에 그은 접선과 점 H

따라서 구하고자 하는 곡선의 부분은 원 C를 평면 x=12\displaystyle x=\frac12로 잘랐을 때 x12\displaystyle x\ge\frac12인 부분이다. 이를 평면 위에 그려보면 그림 6과 같으며 빗금 친 부채꼴의 호가 구하고자 하는 곡선의 부분이다.

그림 6. 중심 C의 원에서 x가 1/2 이상인 부채꼴의 호

따라서 부채꼴의 중심각을 2θ\displaystyle 2\theta라 놓으면 cosθ=1222=22\displaystyle \cos\theta=\frac{\frac12}{\frac{\sqrt2}2}=\frac{\sqrt2}2가 되어 θ=π4\displaystyle \theta=\frac\pi4이므로 호의 길이는 22π2=24π\displaystyle \frac{\sqrt2}2\cdot\frac\pi2=\frac{\sqrt2}4\pi이다.

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