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서강대 2017학년도 수시 자연계열 2번 · mathesis.kr/archive/sogang/2017su/jayeon_2
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 1인 구와 두 점 (21,1,−21)과 (0,3,0)을 지나는 직선의 교점을 구하자. 직선의 방정식은 21x=−2y−3=−21z이므로 21x=−2y−3=−21z=k라 놓으면 직선 위의 점은 x=2k,y=−2k+3,z=−2k로 나타내어진다. 이를 구의 방정식 x2+y2+z2=1에 대입하면 (2k)2+(−2k+3)2+(−2k)2=1이 되어 k=34이다.따라서 점 A의 좌표는 (32,31,−32)이 되고 점 A에서 구에 접하는 평면의 방정식은 32(x−32)+31(y−31)−32(z+32)=0, 즉 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 t초에서 전파송신기의 위치는 (0,3,t)이므로 전파가 도달하지 못하는 구 위의 점은 구와 두 점 (0,2,0)과 (0,3,t)를 지나는 직선의 교점 중 y좌표가 큰 것이다. (그림 1 참고)
(0,2,0)과 (0,3,t)를 지나는 직선의 방정식은 x=0,1y−2=tz이므로 1y−2=tz=k라 놓으면 직선 위의 점은 x=0,y=k+2,z=tk로 나타내어진다. 이를 구의 방정식 x2+y2+z2=1에 대입하면, (k+2)2+t2k2=1, 즉, (t2+1)k2+4k+3=0을 얻는다.따라서 k=t2+1−2t±−3t2+1인데 구와 직선의 두 교점 중 y좌표가 큰 것이 우리가 구하고자 하는 점이므로 y=k+2로부터 k=t2+1−2+−3t2+1임을 알 수 있다.Correction. 첫 번째 근의 공식에서 분자의 −2t는 −2의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.그러므로 vy(t)=dtdy=dtdk=(t2+1)2(2−3t2+1−6t)(t2+1)−(−2+−3t2+1)⋅2t가 되어 vy(21)=−2536이다.
2-3 · 정적분을 활용하여 입체도형의 부피를 구할 수 있는지 평가한다.
[2–3] 시각 t초에서 전파송신기가 위치하는 점 P의 좌표는 (0,t+3,0)이다. 원점과 평면 β의 거리 d를 구하기 위하여 그림 2와 같이 yz평면 위에서 생각하자.
점 P를 지나면서 원에 접하는 한 점을 Q라 하고 점 Q에서 y축에 내린 수선의 발을 H라 하면 d=OH이다. 이때 삼각형 OHQ와 OQP는 서로 닮은 삼각형이므로 d:1=1:(t+3)이 되어 d=t+31이다.t+31≤y≤1에 대하여 구를 y축에 수직인 평면으로 자른 단면의 넓이는 π(1−y2)이므로 α와 β로 둘러싸인 입체의 부피는∫t+311π(1−y2)dy=π[y−3y3]t+311=π(32−t+31+3(t+3)31)이다. (그림 3 참고)
2-4 · 구, 직선, 원의 관계 및 호도법을 이해하여 부채꼴의 호의 길이를 구할 수 있는지 평가한다.
[2–4] B가 지나는 점들은 직선 l로부터 거리가 일정한 구 위의 점이므로 원을 이룬다. t=0일 때 B의 위치가 (0,0,1)이고 직선 l의 방정식이 x=0,y=z이기 때문에 이 원은 그림 4와 같이 두 점 (0,0,1)과 (0,1,0)을 잇는 선분을 지름으로 하고 벡터 (0,1,1)에 수직인 평면 위에 놓이고원의 중심 C의 좌표는 (0,21,21)이며 반지름의 길이는 (21)2+(21)2=22이다.
한편, 전파송신기의 위치가 (2,0,0)이므로 문제 [2–3]에서와 같은 방법으로 계산하면 H의 좌표는 (21,0,0)이다. (그림 5 참고)
따라서 구하고자 하는 곡선의 부분은 원 C를 평면 x=21로 잘랐을 때 x≥21인 부분이다. 이를 평면 위에 그려보면 그림 6과 같으며 빗금 친 부채꼴의 호가 구하고자 하는 곡선의 부분이다.
따라서 부채꼴의 중심각을 2θ라 놓으면 cosθ=2221=22가 되어 θ=4π이므로 호의 길이는 22⋅2π=42π이다.