수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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해설강의 준비중

(문제 3-1)

구 위의 점 A와 xy평면 위의 점 B의 대응

위의 대응관계로부터, 한 점 N(0,0,2)\displaystyle N(0,0,2)에서 구를 통과하는 직선을 그릴 때 점 N(0,0,2), A(α,β,γ)\displaystyle N(0,0,2),\ A(\alpha,\beta,\gamma) 그리고 B(m,n,0)\displaystyle B(m,n,0)는 동일 직선상에 있음을 알 수 있다. 따라서 점 N(0,0,2)\displaystyle N(0,0,2)을 지나고 벡터 NA=(α,β,γ2)\displaystyle \overrightarrow{NA}=(\alpha,\beta,\gamma-2)에 평행한 직선의 방정식은xα=yβ=z2γ2\displaystyle \frac{x}{\alpha}=\frac{y}{\beta}=\frac{z-2}{\gamma-2}이다. 이때αm=βn=γ22=k\displaystyle \frac{\alpha}{m}=\frac{\beta}{n}=\frac{\gamma-2}{-2}=k (단, k\displaystyle k는 상수)라고 하자. 그러면α=km, β=kn, γ=22k\displaystyle \alpha=km,\ \beta=kn,\ \gamma=2-2k이고 점 (α,β,γ)\displaystyle (\alpha,\beta,\gamma)가 구위의 점이므로α2+β2+(γ1)2=(km)2+(kn)2+(12k)2=1\displaystyle \alpha^2+\beta^2+(\gamma-1)^2=(km)^2+(kn)^2+(1-2k)^2=1을 만족한다. 이 식으로부터 k=4(m2+n2+4)\displaystyle k=\frac{4}{(m^2+n^2+4)}를 구하고, 위 식에 대입하면α=4mm2+n2+4, β=4nm2+n2+4, γ=2(m2+n2)m2+n2+4\displaystyle \alpha=\frac{4m}{m^2+n^2+4},\ \beta=\frac{4n}{m^2+n^2+4},\ \gamma=\frac{2(m^2+n^2)}{m^2+n^2+4}이다. 따라서 점 B1(45,25,0)\displaystyle B_1\left(\frac45,\frac25,0\right)에 대응되는 점은 A1=(23,13,13)\displaystyle A_1=\left(\frac23,\frac13,\frac13\right)이고, 점 B2(3,1,0)\displaystyle B_2(3,1,0)의 대응점은 A2=(67,27,107)\displaystyle A_2=\left(\frac67,\frac27,\frac{10}{7}\right)이다.

이제 세 점 P,A1,A2\displaystyle P,A_1,A_2을 지나는 평면의 방정식을ax+by+cz+d=0\displaystyle ax+by+cz+d=0이라고 하자. 그러면 위의 세 점 P,A1,A2\displaystyle P,A_1,A_2을 지나므로,c+d=02a+b+c+3d=06a+2b+10c+7d=0\displaystyle \begin{gathered}c+d=0\\2a+b+c+3d=0\\6a+2b+10c+7d=0\end{gathered}을 만족한다. 위 식으로부터c=d, b=9d, a=7d2\displaystyle c=-d,\ b=-9d,\ a=\frac{7d}{2}을 얻는다.따라서 평면의 방정식은72x9yz+1=0\displaystyle \frac72x-9y-z+1=0 또는 7x18y2z+2=0\displaystyle 7x-18y-2z+2=0.

(문제 3-2)

사면체 NPA1A2

사면체의 부피를 구하기 위하여, 주어진 점 N\displaystyle N에서 평면72x9yz+1=0\displaystyle \frac72x-9y-z+1=0 또는 7x18y2z+2=0\displaystyle 7x-18y-2z+2=0.까지의 최단거리 h\displaystyle hh=ax1+by1+cz1+da2+b2+c2=7/2×09×02+1(7/2)2+(9)2+(1)2=2377\displaystyle \begin{aligned}h&=\frac{|ax_1+by_1+cz_1+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}\\&=\frac{|7/2\times0-9\times0-2+1|}{\sqrt{(7/2)^2+(-9)^2+(-1)^2}}=\frac{2}{\sqrt{377}}\end{aligned}임을 알수 있다.

이제 삼각형 PA1A2\displaystyle PA_1A_2의 넓이 S\displaystyle S를 구해보자.P=(0,0,1), A1=(23,13,13), A2=(67,27,107)\displaystyle P=(0,0,1),\ A_1=\left(\frac23,\frac13,\frac13\right),\ A_2=\left(\frac67,\frac27,\frac{10}{7}\right)일 때, 두 벡터 PA1=(23,13,23), PA2=(67,27,37)\displaystyle \overrightarrow{PA_1}=\left(\frac23,\frac13,-\frac23\right),\ \overrightarrow{PA_2}=\left(\frac67,\frac27,\frac37\right)와 그 사잇각 θ\displaystyle \theta에 대하여, 삼각형 PA1A2\displaystyle PA_1A_2의 넓이 S=12PA1PA2sinθ\displaystyle S=\frac12|\overrightarrow{PA_1}||\overrightarrow{PA_2}|\sin\theta를 구하자.cosθ=PA1PA2PA1PA2=821\displaystyle \cos\theta=\frac{\overrightarrow{PA_1}\cdot\overrightarrow{PA_2}}{|\overrightarrow{PA_1}||\overrightarrow{PA_2}|}=\frac{8}{21}이므로 sinθ=1cos2θ=1(821)2=29×1321\displaystyle \sin\theta=\sqrt{1-\cos^2\theta}=\sqrt{1-\left(\frac{8}{21}\right)^2}=\frac{\sqrt{29\times13}}{21}이다. 따라서 삼각형 PA1A2\displaystyle PA_1A_2의 넓이 S=12PA1PA2sinθ=37742\displaystyle S=\frac12|\overrightarrow{PA_1}||\overrightarrow{PA_2}|\sin\theta=\frac{\sqrt{377}}{42}이다.

그러므로 사면체의 부피는V=13×S×h=13×37742×2377=163\displaystyle V=\frac13\times S\times h=\frac13\times\frac{\sqrt{377}}{42}\times\frac{2}{\sqrt{377}}=\frac{1}{63}.

[문제 3-1] (20점)(20점) A1,A2\displaystyle A_1,A_2와 평면의 방정식이 모두 올바른 경우(15점) A1,A2\displaystyle A_1,A_2는 올바르나 평면의 방정식이 틀린 경우(10점) A1,A2\displaystyle A_1,A_2만 올바르게 구한 경우(5점) A1,A2\displaystyle A_1,A_2 중에 하나만 올바른 경우(0점) 모두 틀린 경우

[문제 3-2] (20점)(20점) 삼각형 PA1A2\displaystyle PA_1A_2의 넓이와 사면체의 높이를 구하여 부피를 올바르게 계산한 경우(15점) 삼각형 PA1A2\displaystyle PA_1A_2의 넓이는 올바르나 사면체의 높이를 틀려서 부피를 올바르게 구하지 못한 경우(10점) 삼각형 PA1A2\displaystyle PA_1A_2의 넓이를 틀리고, 사면체의 높이를 올바르게 구하여 부피를 올바르게 구하지 못한 경우(5점) 삼각형 PA1A2\displaystyle PA_1A_2의 넓이와 사면체의 높이를 모두 틀린 경우(0점) 아무것도 풀지 못한 경우

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