좌표공간에 중심이 원점 O이고 반지름이 2인 구가 있다. z>0인 구의 내부를 통과하는 평면 α가 x축에 평행한 직선을 xy평면과 공유할 때, xy평면과 평면 α로 이루어진 이면각의 크기를 ϕ(0<ϕ<2π)라고 하자. 평면 α가 구와 만나서 생기는 반지름이 1인 원을 C라 할 때, 원 C의 중심을 A, 원 C 위의 점들 중 z좌표가 가장 큰 점을 Q, △AQR이 직각삼각형이 되도록 하는 원 C 위의 점들 중 x좌표가 양수인 점을 R이라 하자. 점 P(2,0,0)에 대하여 다음 물음에 답하시오. [120점]
(1)점 A,Q,R의 좌표를 ϕ를 이용하여 나타내고 그 이유를 논리적으로 설명하시오.
(2)점 Q에서 xy평면에 내린 수선의 발을 점 Q′, 점 R에서 xy평면에 내린 수선의 발을 점 R′이라고 할 때, △PQ′R′의 넓이를 ϕ를 이용하여 나타내고 그 이유를 논리적으로 설명하시오.
(3)세 점 P,Q,R을 지나는 평면을 β라고 하자. 평면 β와 xy평면이 이루는 이면각의 크기를 θ라 할 때,cosθ=73이다. △PQR의 xy평면 위로의 정사영이 △PQ′R′임을 이용하여 각 ϕ의 크기를 구하고 그 이유를 논리적으로 설명하시오.
해설강의 준비중
울산대 2022학년도 수시 의예과 3번 · mathesis.kr/archive/ulsan/2022su/uiye_3
+30점 · (1) 점 A, Q, R의 좌표를 정확하게 표현하여 나타낸 경우
[문항 3-(1)]원 C2의 반지름을 r이라고 할 때 구의 중심 O에서 A의 까지의 거리는 4−r2 이다. r=1이면 OA=3. 이제 직각삼각형 △OAH를 생각하면 ∠AOH=2π−ϕ 이므로 AH=3sin(2π−ϕ)=3cosϕ 이고 OH=3sinϕ임을 알 수 있다. y축과 y축을 평면 α위로 정사영한 반직선이 두 평면의 이면각을 결정하므로 A=(0,OH,AH)=(0,3sinϕ,3cosϕ). 삼각형의 닮음 조건을 활용하면 Q=(0,3sinϕ−cosϕ,3cosϕ+sinϕ) 가 된다. 그리고 x축과 평행한 직선이 반지름이 1인 원 C2와 만나는 점이 R이므로 R=(1,3sinϕ,3cosϕ).
+10점 · (2)-1 점 Q와 점 R의 xy평면으로의 정사영을 바르게 계산한 경우
[문항 3-(2)]점 Q,R의 xy평면 위로의 정사영을 각각 Q′,R′이라고 두면 이 점들의 z좌표만 0이 되므로 R′=(1,3sinϕ,0),Q′=(0,3sinϕ−cosϕ,0) 이다.
+30점 · (2)-2 △PQ′R′의 면적을 ϕ에 관한 식으로 바르게 나타낸 경우
이제 xy-좌표평면에서 △PQ′R′은 점Q′의 y좌표값의 부호에 따라 3sinϕ−cosϕ≥0,3sinϕ−cosϕ<0 두 가지 경우로 주어진다.예를 들면 3sinϕ−cosϕ<0인 경우에 점 Q′과 점 R′을 잇는 직선이 x축과 만나는 점을 S라고 하면 △PQ′R′의 넓이는 △SQ′P+△SR′P 이고 점 S의 x좌표가 1−3tanϕ이므로 각각의 삼각형의 넓이의 합에 의해2(1+3tanϕ)(cosϕ−3sinϕ)+2(1+3tanϕ)3sinϕ=2(1+3tanϕ)cosϕ=2cosϕ+3sinϕ을 얻는다.3sinϕ−cosϕ≥0인 경우에도 점 Q′과 점 R′을 잇는 직선이 x축과 만나는 점을 S라고 하면 △PQ′R′의 넓이는 △SR′P−△SQ′P 이므로 위의 계산을 이용하면 2cosϕ+3sinϕ를 얻는다.
+20점 · (3)-1 △PQR의 면적을 바르게 계산한 경우
[문항 3-(3)]P=(2,0,0)이므로 PR=2,PQ=22,QR=2 임을 알 수 있고 TRIANGLEPQR 의 넓이는 27 임을 알 수 있다.Correction. 대학 답안의 “TRIANGLEPQR”는 삼각형 PQR을 뜻한다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
+10점 · (3)-2 △PQ′R′의 면적은 △PQR의 면적에 cosθ를 곱하여 얻어짐을 언급한 경우
정사영의 넓이 공식에 의해 △PQR의넓이×cosθ=△PQ′R′의넓이 이므로 이제 주어진 조건에 의해 cosθ=73를 대입하면 2773=2cosϕ+3sinϕ 이므로
+20점 · (3)-3 정사영의 공식을 이용하여 ϕ에 관한 삼각함수의 조건을 이용하여 방정식을 바르게 푼 경우