수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중
+30점

오른쪽 그림과 같이 정사각뿔 P의 5개의 꼭짓점을 A, B, C, D, E라 놓고, 다음과 같이 좌표를 도입하자.

정사각뿔 ABCDE와 중심 O인 구의 교선

O(0,0,0)\displaystyle \mathrm{O} ( 0 , 0 , 0 ), A(1,0,0)\displaystyle \mathrm{A} ( 1 , 0 , 0 ), B(0,1,0)\displaystyle \mathrm{B} ( 0 , 1 , 0 ), C(1,0,0)\displaystyle \mathrm{C} ( - 1 , 0 , 0 ), D(0,1,0)\displaystyle \mathrm{D} ( 0 , - 1 , 0 ), E(0,0,1+2)\displaystyle \mathrm{E} \left( 0 , 0 , \sqrt{1 + \sqrt{2}} \right)

+20점

세 점 A, B, E를 지나는 평면의 방정식은x+y+z1+2=1\displaystyle x + y + \frac{{z}}{\sqrt{1 + \sqrt{2}}} = 1이다. 이때 원점 O에서 삼각형 ABE에 내린 수선의 발을 H라 하면H(21,21,211+2)\displaystyle \mathrm{H} \left( \sqrt{2} - 1 , \sqrt{2} - 1 , \frac{{\sqrt{2} - 1}}{\sqrt{1 + \sqrt{2}}} \right)이다.

+20점

구 S와 위 평면의 공통부분은 오른쪽 그림과 같이 점 A, B를 지나고 중심이 점 H인 원이 된다. 이 원과 삼각형 ABE의 변 AE, BE와의 교점을 각각 F, G라고 하자. (단, 두 점 F, G는 점 A와 B가 아니라고 하자.)

평면 ABE가 구와 만나는 원의 중심 H와 교점 F, G

이제 두 점 F와 G의 좌표를 구해보자. 두 점 A와 E를 지나는 직선의 방정식은x11=z1+2,y=0\displaystyle \frac{{x - 1}}{1} = - \frac{{z}}{\sqrt{1 + \sqrt{2}}} , y = 0이고, 구 S의 방정식은x2+y2+z2=1\displaystyle x^{2} + y^{2} + z^{2} = 1이므로, 연립하여 풀면F(21,0,21+2)\displaystyle \mathrm{F} \left( \sqrt{2} - 1 , 0 , \frac{{\sqrt{2}}}{\sqrt{1 + \sqrt{2}}} \right)이다. 마찬가지로 직선 BE와 구면과의 교점을 구하면G(0,21,21+2)\displaystyle \mathrm{G} \left( 0 , \sqrt{2} - 1 , \frac{{\sqrt{2}}}{\sqrt{1 + \sqrt{2}}} \right)이다.

+20점

두 벡터 HF\displaystyle {\overrightarrow{\mathrm{HF}}}HG\displaystyle {\overrightarrow{\mathrm{HG}}}가 이루는 각을 θ\displaystyle \theta (0<θ<π\displaystyle 0 < \theta < \pi)라고 하면cosθ=HFHGHFHG=212222=2122=22\displaystyle \cos\theta=\frac{\overrightarrow{\mathrm{HF}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{HG}}}{|\overrightarrow{\mathrm{HF}}|\,|\overrightarrow{\mathrm{HG}}|}=\frac{\sqrt2-1}{\sqrt{2-\sqrt2}\sqrt{2-\sqrt2}}=\frac{\sqrt2-1}{2-\sqrt2}=\frac{\sqrt2}2이므로,θ=π4\displaystyle \theta = \frac{{\pi}}{4}

삼각형 ABE와 원의 교점 F, G 및 중심각 θ
+10점

이다. 이때, 부채꼴의 호 FG\displaystyle \overset{\frown}{\mathrm{FG}}의 길이 l\displaystyle ll=HFθ=224π\displaystyle l = {\overline{\mathrm{HF}}} \theta = \frac{{\sqrt{2 - \sqrt{2}}}}{4} \pi이다. 그런데 구하는 곡선의 길이는 호 FG\displaystyle \overset{\frown}{\mathrm{FG}}의 길이의 4배이므로4l=22π\displaystyle 4 l = \sqrt{2 - \sqrt{2}} \pi이다.

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