수리논술, 이게 다다.

의예과 3번

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문제

좌표공간에 중심이 원점 O이고 반지름이 2인 구가 있다. z>0\displaystyle z>0인 구의 내부를 통과하는 평면 α\displaystyle \alpha가 x\displaystyle x축에 평행한 직선을 xy\displaystyle xy평면과 공유할 때, xy\displaystyle xy평면과 평면 α\displaystyle \alpha로 이루어진 이면각의 크기를 ϕ(0<ϕ<π2)\displaystyle \phi\left(0<\phi<\frac{\pi}{2}\right)라고 하자. 평면 α\displaystyle \alpha가 구와 만나서 생기는 반지름이 1인 원을 C\displaystyle C라 할 때, 원 C\displaystyle C의 중심을 A, 원 C\displaystyle C 위의 점들 중 z\displaystyle z좌표가 가장 큰 점을 Q, △AQR\displaystyle \triangle\mathrm{AQR}이 직각삼각형이 되도록 하는 원 C\displaystyle C 위의 점들 중 x\displaystyle x좌표가 양수인 점을 R이라 하자. 점 P(2,0,0)\displaystyle \mathrm{P}(2,0,0)에 대하여 다음 물음에 답하시오. [120점]

구와 평면의 교선인 원 C, 중심 A와 점 P, Q, R 및 좌표축

(1) 점 A,Q,R의 좌표를 ϕ\displaystyle \phi를 이용하여 나타내고 그 이유를 논리적으로 설명하시오.

(2) 점 Q에서 xy\displaystyle xy평면에 내린 수선의 발을 점 Q′\displaystyle \mathrm{Q}^{\prime}, 점 R에서 xy\displaystyle xy평면에 내린 수선의 발을 점 R′\displaystyle \mathrm{R}^{\prime}이라고 할 때, △PQ′R′\displaystyle \triangle\mathrm{PQ}^{\prime}\mathrm{R}^{\prime}의 넓이를 ϕ\displaystyle \phi를 이용하여 나타내고 그 이유를 논리적으로 설명하시오.

(3) 세 점 P,Q,R을 지나는 평면을 β\displaystyle \beta라고 하자. 평면 β\displaystyle \beta와 xy\displaystyle xy평면이 이루는 이면각의 크기를 θ\displaystyle \theta라 할 때,cos⁡θ=37\displaystyle \cos\theta=\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{7}}이다. △PQR\displaystyle \triangle\mathrm{PQR}의 xy\displaystyle xy평면 위로의 정사영이 △PQ′R′\displaystyle \triangle\mathrm{PQ}^{\prime}\mathrm{R}^{\prime}임을 이용하여 각 ϕ\displaystyle \phi의 크기를 구하고 그 이유를 논리적으로 설명하시오.

해설강의 준비중
+30점 · (1) 점 A, Q, R의 좌표를 정확하게 표현하여 나타낸 경우

[문항 3-(1)]원 C2\displaystyle C_2의 반지름을 r\displaystyle r이라고 할 때 구의 중심 O에서 A의 까지의 거리는 4−r2\displaystyle \sqrt{4-r^2} 이다. r=1\displaystyle r=1이면 OA‾=3\displaystyle \overline{OA}=\sqrt{3}. 이제 직각삼각형 △OAH\displaystyle \triangle OAH를 생각하면 ∠AOH=π2−ϕ\displaystyle \angle AOH=\frac{\pi}{2}-\phi 이므로 AH‾=3sin⁡(π2−ϕ)=3cos⁡ϕ\displaystyle \overline{AH}=\sqrt{3}\sin\left(\frac{\pi}{2}-\phi\right)=\sqrt{3}\cos\phi 이고 OH‾=3sin⁡ϕ\displaystyle \overline{OH}=\sqrt{3}\sin\phi임을 알 수 있다. y\displaystyle y축과 y\displaystyle y축을 평면 α\displaystyle \alpha위로 정사영한 반직선이 두 평면의 이면각을 결정하므로 A=(0,OH‾,AH‾)=(0,3sin⁡ϕ,3cos⁡ϕ)\displaystyle A=(0,\overline{OH},\overline{AH})=(0,\sqrt{3}\sin\phi,\sqrt{3}\cos\phi). 삼각형의 닮음 조건을 활용하면 Q=(0,3sin⁡ϕ−cos⁡ϕ,3cos⁡ϕ+sin⁡ϕ)\displaystyle Q=(0,\sqrt{3}\sin\phi-\cos\phi,\sqrt{3}\cos\phi+\sin\phi) 가 된다. 그리고 x\displaystyle x축과 평행한 직선이 반지름이 1인 원 C2\displaystyle C_2와 만나는 점이 R이므로 R=(1,3sin⁡ϕ,3cos⁡ϕ)\displaystyle R=(1,\sqrt{3}\sin\phi,\sqrt{3}\cos\phi).

+10점 · (2)-1 점 Q와 점 R의 xy\displaystyle xy평면으로의 정사영을 바르게 계산한 경우

[문항 3-(2)]점 Q,R\displaystyle Q,R의 xy\displaystyle xy평면 위로의 정사영을 각각 Q′,R′\displaystyle Q^{\prime},R^{\prime}이라고 두면 이 점들의 z\displaystyle z좌표만 0이 되므로 R′=(1,3sin⁡ϕ,0), Q′=(0,3sin⁡ϕ−cos⁡ϕ,0)\displaystyle R^{\prime}=(1,\sqrt{3}\sin\phi,0),\ Q^{\prime}=(0,\sqrt{3}\sin\phi-\cos\phi,0) 이다.

+30점 · (2)-2 △PQ′R′\displaystyle \triangle PQ^{\prime}R^{\prime}의 면적을 ϕ\displaystyle \phi에 관한 식으로 바르게 나타낸 경우

이제 xy\displaystyle xy-좌표평면에서 △PQ′R′\displaystyle \triangle PQ^{\prime}R^{\prime}은 점Q′\displaystyle Q^{\prime}의 y\displaystyle y좌표값의 부호에 따라 3sin⁡ϕ−cos⁡ϕ≥0, 3sin⁡ϕ−cos⁡ϕ<0\displaystyle \sqrt{3}\sin\phi-\cos\phi\ge0,\ \sqrt{3}\sin\phi-\cos\phi<0 두 가지 경우로 주어진다.예를 들면 3sin⁡ϕ−cos⁡ϕ<0\displaystyle \sqrt{3}\sin\phi-\cos\phi<0인 경우에 점 Q′\displaystyle Q^{\prime}과 점 R′\displaystyle R^{\prime}을 잇는 직선이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 S라고 하면 △PQ′R′\displaystyle \triangle PQ^{\prime}R^{\prime}의 넓이는 △SQ′P+△SR′P\displaystyle \triangle SQ^{\prime}P+\triangle SR^{\prime}P 이고 점 S의 x\displaystyle x좌표가 1−3tan⁡ϕ\displaystyle 1-\sqrt{3}\tan\phi이므로 각각의 삼각형의 넓이의 합에 의해(1+3tan⁡ϕ)(cos⁡ϕ−3sin⁡ϕ)2+(1+3tan⁡ϕ)3sin⁡ϕ2=(1+3tan⁡ϕ)cos⁡ϕ2=cos⁡ϕ+3sin⁡ϕ2\displaystyle \begin{aligned}&\frac{(1+\sqrt{3}\tan\phi)(\cos\phi-\sqrt{3}\sin\phi)}{2}+\frac{(1+\sqrt{3}\tan\phi)\sqrt{3}\sin\phi}{2}\\&=\frac{(1+\sqrt{3}\tan\phi)\cos\phi}{2}=\frac{\cos\phi+\sqrt{3}\sin\phi}{2}\end{aligned}을 얻는다.3sin⁡ϕ−cos⁡ϕ≥0\displaystyle \sqrt{3}\sin\phi-\cos\phi\ge0인 경우에도 점 Q′\displaystyle Q^{\prime}과 점 R′\displaystyle R^{\prime}을 잇는 직선이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 S라고 하면 △PQ′R′\displaystyle \triangle PQ^{\prime}R^{\prime}의 넓이는 △SR′P−△SQ′P\displaystyle \triangle SR^{\prime}P-\triangle SQ^{\prime}P 이므로 위의 계산을 이용하면 cos⁡ϕ+3sin⁡ϕ2\displaystyle \frac{\cos\phi+\sqrt{3}\sin\phi}{2}를 얻는다.

+20점 · (3)-1 △PQR\displaystyle \triangle PQR의 면적을 바르게 계산한 경우

[문항 3-(3)]P=(2,0,0)\displaystyle P=(2,0,0)이므로 PR‾=2,PQ‾=22,QR‾=2\displaystyle \overline{PR}=2,\overline{PQ}=2\sqrt{2},\overline{QR}=\sqrt{2} 임을 알 수 있고 TRIANGLEPQR 의 넓이는 72\displaystyle \frac{\sqrt{7}}{2} 임을 알 수 있다.Correction. 대학 답안의 “TRIANGLEPQR”는 삼각형 PQR\displaystyle PQR을 뜻한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+10점 · (3)-2 △PQ′R′\displaystyle \triangle PQ^{\prime}R^{\prime}의 면적은 △PQR\displaystyle \triangle PQR의 면적에 cos⁡θ\displaystyle \cos\theta를 곱하여 얻어짐을 언급한 경우

정사영의 넓이 공식에 의해 △PQR\displaystyle \triangle PQR의넓이×cos⁡θ=△PQ′R′\displaystyle \times\cos\theta=\triangle PQ^{\prime}R^{\prime}의넓이 이므로 이제 주어진 조건에 의해 cos⁡θ=37\displaystyle \cos\theta=\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{7}}를 대입하면 7237=cos⁡ϕ+3sin⁡ϕ2\displaystyle \frac{\sqrt{7}}{2}\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{7}}=\frac{\cos\phi+\sqrt{3}\sin\phi}{2} 이므로

+20점 · (3)-3 정사영의 공식을 이용하여 ϕ\displaystyle \phi에 관한 삼각함수의 조건을 이용하여 방정식을 바르게 푼 경우

cos⁡ϕ+3sin⁡ϕ=3\displaystyle \cos\phi+\sqrt{3}\sin\phi=\sqrt{3} 로부터 cos⁡ϕ=32,sin⁡ϕ=12\displaystyle \cos\phi=\frac{\sqrt{3}}{2},\sin\phi=\frac{1}{2} 이고 ϕ=π6\displaystyle \phi=\frac{\pi}{6}.

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