수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1]

좌표공간에서 점 P(x0,y0,z0)\displaystyle \mathrm{P} ( x_{0} , y_{0} , z_{0} )와 평면 ax+by+cz+d=0\displaystyle a x + b y + c z + d = 0 사이의 거리는∣ax0+by0+cz0+d∣a2+b2+c2\displaystyle \frac{|ax_0+by_0+cz_0+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}임을 보여라. (100점)

해설강의 준비중

점 P(x0,y0,z0)\displaystyle \mathrm{P} ( x_{0} , y_{0} , z_{0} )와 평면 ax+by+cz+d=0\displaystyle a x + b y + c z + d = 0 사이의 거리를 h\displaystyle h라고 하고, 점 P\displaystyle {\mathrm{P}}에서 평면 ax+by+cz+d=0\displaystyle a x + b y + c z + d = 0에 내린 수선의 발을 H(x1,y1,z1)\displaystyle \mathrm{H} ( x_{1} , y_{1} , z_{1} )이라고 하면 h=∣HP→∣\displaystyle h = \left| \overrightarrow{\mathrm{HP}} \right|이고, HP→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{HP}}는 평면 ax+by+cz+d=0\displaystyle a x + b y + c z + d = 0의 법선벡터 n⃗=(a,b,c)\displaystyle \vec n = ( a , b , c )에 평행하므로HP→=tn⃗\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{HP}}=t\vec n인 실수 t\displaystyle t가 존재한다. 이때 (x0−x1,y0−y1,z0−z1)=t(a,b,c)\displaystyle (x_0-x_1,y_0-y_1,z_0-z_1)=t(a,b,c)이다.따라서x1=x0−at,y1=y0−bt,z1=z0−ct\displaystyle x_{1} = x_{0} - a t , y_{1} = y_{0} - b t , z_{1} = z_{0} - c t이고 점 H\displaystyle \mathrm{H}가 평면 ax+by+cz+d=0\displaystyle a x + b y + c z + d = 0의 점이므로 다음이 성립한다.a(x0−at)+b(y0−bt)+c(z0−ct)+d=0,t=ax0+by0+cz0+da2+b2+c2\displaystyle a ( x_{0} - a t ) + b ( y_{0} - b t ) + c ( z_{0} - c t ) + d = 0 , t = \frac{{a x_{0} + b y_{0} + c z_{0} + d}}{a^{2} + b^{2} + c^{2}}따라서 h=∣HP→∣=∣t∣ ∣n⃗∣=∣ax0+by0+cz0+da2+b2+c2∣⋅a2+b2+c2=∣ax0+by0+cz0+d∣a2+b2+c2\displaystyle h=|\overrightarrow{\mathrm{HP}}|=|t|\,|\vec n|=\left|\frac{ax_0+by_0+cz_0+d}{a^2+b^2+c^2}\right|\cdot\sqrt{a^2+b^2+c^2}=\frac{|ax_0+by_0+cz_0+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}이다.

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