수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+60점 · 코사인법칙을 사용하여 두 평면 사이의 각의 크기를 계산한다.

선분 AD\displaystyle \mathrm{AD}의 중점을 P\displaystyle \mathrm{P}, 선분 EH\displaystyle \mathrm{EH}의 중점을 Q\displaystyle \mathrm{Q}라 할 때, 선분 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}의 길이를 p\displaystyle p라 하면, p2+{(a+2)a2}2=b2\displaystyle p^{2}+\left\{\dfrac{(a+2)-a}{2}\right\}^{2}=b^{2}이므로 p=b21\displaystyle p=\sqrt{b^{2}-1}이다.선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 중점을 R\displaystyle \mathrm{R}, 선분 FG\displaystyle \mathrm{FG}의 중점을 S\displaystyle \mathrm{S}라 할 때, 선분 RS\displaystyle \mathrm{RS}의 길이를 q\displaystyle q라 하면, q2+{(a+2)a2}2=c2\displaystyle q^{2}+\left\{\dfrac{(a+2)-a}{2}\right\}^{2}=c^{2}이므로 q=c21\displaystyle q=\sqrt{c^{2}-1}이다.

육면체 ABCD-EFGH에 선분 AD를 포함하고 평면 BFGC와 평행한 평면 AF′G′D를 그린 그림. AD·EH의 중점 P·Q와 BC·FG의 중점 R·S, F′G′의 중점 S′이 표시되어 있고 각 QPS′을 θ로 나타냈다.

그림과 같이 선분 AD\displaystyle \mathrm{AD}를 포함하고 평면 BFGC\displaystyle \mathrm{BFGC}와 평행한 평면 AFGD\displaystyle \mathrm{AF^{\prime}G^{\prime}D}를 생각하자. 이때 선분 FG\displaystyle \mathrm{F^{\prime}G^{\prime}}의 중점을 S\displaystyle \mathrm{S^{\prime}}이라 하고 각 QPS\displaystyle \mathrm{QPS^{\prime}}의 크기를 θ\displaystyle \theta라 하자. 삼각형 PQS\displaystyle \mathrm{PQS^{\prime}}에서 코사인법칙에 의해{(a+2)a}2=p2+q22pqcosθ\displaystyle \{(a+2)-a\}^{2}=p^{2}+q^{2}-2pq\cos\theta이므로 cosθ=p2+q242pq=b2+c262pq0\displaystyle \cos\theta=\dfrac{p^{2}+q^{2}-4}{2pq}=\dfrac{b^{2}+c^{2}-6}{2pq}\ge0이다. 따라서 0<θπ2\displaystyle 0<\theta\le\dfrac{\pi}{2}이다. 또한 각 APQ\displaystyle \mathrm{APQ}와 각 APS\displaystyle \mathrm{APS^{\prime}}은 직각이므로 두 평면 AEHD\displaystyle \mathrm{AEHD}BFGC\displaystyle \mathrm{BFGC}가 이루는 각의 크기는 θ\displaystyle \theta와 같다.

+35점 · 정사영의 넓이를 구한다.

사각형 AEHD\displaystyle \mathrm{AEHD}는 사다리꼴이므로 넓이는 12p(a+a+2)=p(a+1)\displaystyle \dfrac{1}{2}p(a+a+2)=p(a+1)이다. 따라서 사각형 AEHD\displaystyle \mathrm{AEHD}의 평면 BFGC\displaystyle \mathrm{BFGC} 위로의 정사영의 넓이는(사각형 AEHD의 넓이)×cosθ=p(a+1)×b2+c262pq=(a+1)(b2+c26)2c21\displaystyle \begin{aligned} (\text{사각형 }\mathrm{AEHD}\text{의 넓이})\times\cos\theta &=p(a+1)\times\frac{b^{2}+c^{2}-6}{2pq} \\ &=\frac{(a+1)(b^{2}+c^{2}-6)}{2\sqrt{c^{2}-1}} \end{aligned}이다.

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