수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

좌표공간에서 네 점 A(0, 0, 0)\displaystyle \mathrm{A}(0,\,0,\,0), B(a, a, 0)\displaystyle \mathrm{B}(a,\,a,\,0), C(3a4, a4, a)\displaystyle \mathrm{C}\left(\frac{3a}{4},\ \frac{a}{4},\ a\right), D(a4, 3a4, a)\displaystyle \mathrm{D}\left(\frac{a}{4},\ \frac{3a}{4},\ a\right)를 꼭짓점으로 하는 사면체가 있다. 이 사면체에서 두 평면 z=0\displaystyle z=0과 z=b\displaystyle z=b 사이에 있는 부분의 부피를 구하여라. (단, 0≤b≤a\displaystyle 0 \le b \le a이다.)

+15점 · 단면이 네 모서리를 각각 t:(a−t)\displaystyle t:(a-t)로 내분하는 네 점으로 이루어짐을 파악했는가

z=t (0≤t≤b)\displaystyle z=t\ (0 \leq t \leq b)인 평면과 사면체가 만나서 이루어지는 단면은z=0\displaystyle z=0인 꼭짓점과 z=a\displaystyle z=a인 꼭짓점을 t:(a−t)\displaystyle t:(a-t)로 내분하는 점들로 이루어져 있다.네 모서리 AC‾\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}, AD‾\displaystyle \overline{\mathrm{AD}}, BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}, BD‾\displaystyle \overline{\mathrm{BD}} 위에 있는 이 점들을 차례로 P\displaystyle \mathrm{P}, Q\displaystyle \mathrm{Q}, R\displaystyle \mathrm{R}, S\displaystyle \mathrm{S}라 하자.

+30점 · 단면이 직사각형임을 보였는가

AB‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}는 xy\displaystyle xy평면 위에 있고 CD‾\displaystyle \overline{\mathrm{CD}}는 xy\displaystyle xy평면과 평행하므로두 선분을 xy\displaystyle xy평면 위로 정사영시켜도 이루는 각은 변하지 않는다.

A\displaystyle \mathrm{A}, B\displaystyle \mathrm{B}의 정사영 (0, 0)\displaystyle (0,\,0), (a, a)\displaystyle (a,\,a)와 C\displaystyle \mathrm{C}, D\displaystyle \mathrm{D}의 정사영 (3a4, a4)\displaystyle \left(\frac{3a}{4},\ \frac{a}{4}\right), (a4, 3a4)\displaystyle \left(\frac{a}{4},\ \frac{3a}{4}\right)는네 점 (0, 0)\displaystyle (0,\,0), (a, 0)\displaystyle (a,\,0), (a, a)\displaystyle (a,\,a), (0, a)\displaystyle (0,\,a)를 꼭짓점으로 하는 정사각형의 서로 다른 두 대각선 위에 있고,정사각형의 두 대각선은 서로 수직이므로 AB‾⊥CD‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}} \perp \overline{\mathrm{CD}}이다.

두 점 P\displaystyle \mathrm{P}, Q\displaystyle \mathrm{Q}는 각각 AC‾\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}, AD‾\displaystyle \overline{\mathrm{AD}}를 t:(a−t)\displaystyle t:(a-t)로 내분하므로두 삼각형 APQ\displaystyle \mathrm{APQ}와 ACD\displaystyle \mathrm{ACD}는 닮음비가 t:a\displaystyle t:a인 닮음이고,두 점 R\displaystyle \mathrm{R}, S\displaystyle \mathrm{S}는 각각 BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}, BD‾\displaystyle \overline{\mathrm{BD}}를 t:(a−t)\displaystyle t:(a-t)로 내분하므로두 삼각형 BRS\displaystyle \mathrm{BRS}와 BCD\displaystyle \mathrm{BCD}도 닮음비가 t:a\displaystyle t:a인 닮음이다.

같은 방법으로 두 삼각형 CPR\displaystyle \mathrm{CPR}와 CAB\displaystyle \mathrm{CAB}, 두 삼각형 DQS\displaystyle \mathrm{DQS}와 DAB\displaystyle \mathrm{DAB}는닮음비가 (a−t):a\displaystyle (a-t):a인 닮음이다.

즉 PQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}와 RS‾\displaystyle \overline{\mathrm{RS}}는 CD‾\displaystyle \overline{\mathrm{CD}}와 평행하고, PR‾\displaystyle \overline{\mathrm{PR}}와 QS‾\displaystyle \overline{\mathrm{QS}}는 AB‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}와 평행하다.

AB‾⊥CD‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}} \perp \overline{\mathrm{CD}}이므로 사각형 PQSR\displaystyle \mathrm{PQSR}의 이웃한 두 변은 서로 수직이고,따라서 단면은 직사각형이다.

+20점 · 직사각형의 두 변의 길이 t2\displaystyle \frac{t}{\sqrt{2}}, 2 (a−t)\displaystyle \sqrt{2}\,(a-t)를 구했는가

두 모서리의 길이가 AB‾=2 a\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=\sqrt{2}\,a, CD‾=22a\displaystyle \overline{\mathrm{CD}}=\frac{\sqrt{2}}{2}a이므로닮음비에 의하여 이 직사각형 변의 길이는 다음과 같다.PQ‾=RS‾=ta CD‾=t2,  PR‾=QS‾=a−ta AB‾=2 (a−t)\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=\overline{\mathrm{RS}}=\frac{t}{a}\,\overline{\mathrm{CD}}=\frac{t}{\sqrt{2}},\ \ \overline{\mathrm{PR}}=\overline{\mathrm{QS}}=\frac{a-t}{a}\,\overline{\mathrm{AB}}=\sqrt{2}\,(a-t)

+10점 · 단면의 넓이가 t(a−t)\displaystyle t(a-t)임을 구했는가

따라서 높이 z=t\displaystyle z=t에서 단면의 면적은 t(a−t)\displaystyle t(a-t)이다.

+10점 · 정적분으로 부피 ab22−b33\displaystyle \frac{ab^{2}}{2}-\frac{b^{3}}{3}를 구했는가

정적분의 원리에 의하여 원하는 부분의 부피는 다음과 같다.∫0bt(a−t) dt=at22−t33 ∣0b=ab22−b33\displaystyle \int_{0}^{b}t(a-t)\,dt=\left.\frac{at^{2}}{2}-\frac{t^{3}}{3}\,\right|_{0}^{b}=\frac{ab^{2}}{2}-\frac{b^{3}}{3}

Comment. 좌표 계산을 줄이고, 수직은 정사영해서 정사각형의 대각선으로, 변의 길이는 닮음비로 얻는 풀이이다.

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