수리논술, 이게 다다.

의예과 2번

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문제

【문제 2】아래 문제에 답하시오. (25점)

오른쪽 그림과 같이 모든 모서리의 길이가 2인 정사각뿔 E-ABCD를 밑면의 한 변인 AD를 지나는 평면을 이용하여 두 조각으로 분할하려고 한다. 평면 AFGD에 의해 잘린 사각뿔 E-AFGD을 T1\displaystyle \mathrm{T}_1이라 하고 정사각뿔 E-ABCD에서 T1\displaystyle \mathrm{T}_1을 제외한 도형을 T2\displaystyle \mathrm{T}_2라 할 때, 다음 물음에 답하시오.

정사각뿔 E-ABCD를 평면 AFGD로 나눈 도형

(문제 2-1) 선분 FB의 길이가 1일 때, 도형 T1\displaystyle \mathrm{T}_1과 T2\displaystyle \mathrm{T}_2의 부피를 각각 구하시오. (10점)

(문제 2-2) 도형 T1\displaystyle \mathrm{T}_1과 T2\displaystyle \mathrm{T}_2의 부피가 서로 같을 때, 선분 FB의 길이를 구하시오. (15점)

해설강의 준비중
+10점 · (상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우 (중상) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우 (중하) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우 (하) 적분 등의 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

(문제 2-1)(방법1) △AEC\displaystyle \triangle\mathrm{AEC}는 밑변이 22\displaystyle 2\sqrt2이고 나머지 두 변이 2인 이등변삼각형이다.꼭지점 E에서 수직이등분선을 그려 선분 AC와 만나는 점을 K라 하면 선분 EK의 길이는 2\displaystyle \sqrt2가 되고 이것은 정사각뿔의 높이가 된다. 따라서 주어진 정사각뿔의 부피는 V=13⋅4⋅2=423\displaystyle V=\frac13\cdot4\cdot\sqrt2=\frac{4\sqrt2}{3}이다.

정사각뿔의 높이 EK와 절단면

FB‾=1\displaystyle \overline{\mathrm{FB}}=1일 때 도형 T2\displaystyle \mathrm{T}_2의 부피를 구하기 위해 오른쪽 그림과 같이 세 조각으로 나눠보면 가운데 부분은 삼각기둥형태로 높이는 정사각뿔 높이의 절반 즉, 22\displaystyle \frac{\sqrt2}{2}이고 부피가 12⋅2⋅22⋅1=22\displaystyle \frac12\cdot2\cdot\frac{\sqrt2}{2}\cdot1=\frac{\sqrt2}{2}이다.나머지 두 조각을 붙이면 직사각뿔이 되고 그 부피는13⋅2⋅1⋅22=23\displaystyle \frac13\cdot2\cdot1\cdot\frac{\sqrt2}{2}=\frac{\sqrt2}{3}이고 따라서도형 T1\displaystyle \mathrm{T}_1의 부피는 22+23=526\displaystyle \frac{\sqrt2}{2}+\frac{\sqrt2}{3}=\frac{5\sqrt2}{6}도형 T2\displaystyle \mathrm{T}_2의 부피는 423−526=22\displaystyle \frac{4\sqrt2}{3}-\frac{5\sqrt2}{6}=\frac{\sqrt2}{2}이다.Correction. 위 두 줄의 T1\displaystyle T_1과 T2\displaystyle T_2가 서로 바뀌었다. T1\displaystyle T_1의 부피는 22\displaystyle \frac{\sqrt2}{2}, T2\displaystyle T_2의 부피는 526\displaystyle \frac{5\sqrt2}{6}이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

두 조각을 붙여 만든 직사각뿔
+15점 · (상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우 (중상) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우 (중하) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우 (하) 적분 등의 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

(문제 2-2)(방법1) 점 F(2−t2,t2,t2)\displaystyle \mathrm{F}\left(2-\frac t2,\frac t2,\frac t{\sqrt2}\right)의 좌표를 확인하고 (문제 2-1)에서와 비슷하게 도형 T2\displaystyle \mathrm{T}_2를 세 조각으로 나누면 그 중 가운데 부분의 부피는12⋅2⋅t2⋅(2−t)=t(2−t)2\displaystyle \frac12\cdot2\cdot\frac t{\sqrt2}\cdot(2-t)=\frac{t(2-t)}{\sqrt2}이고, 나머지 두 조각을 붙인 직사각뿔의 부피는13⋅2⋅t⋅t2=23t2\displaystyle \frac13\cdot2\cdot t\cdot\frac t{\sqrt2}=\frac{\sqrt2}{3}t^2이다. 따라서도형 T2\displaystyle \mathrm{T}_2의 부피는 t(2−t)2+23t2=−26t2+2t\displaystyle \frac{t(2-t)}{\sqrt2}+\frac{\sqrt2}{3}t^2=-\frac{\sqrt2}{6}t^2+\sqrt2t이고, 이 식을 정사각뿔의 부피의 절반인 232\displaystyle \frac23\sqrt2와 같게 놓으면−26t2+2t=232\displaystyle -\frac{\sqrt2}{6}t^2+\sqrt2t=\frac23\sqrt2⇒t2−6t+4=0\displaystyle \Rightarrow t^2-6t+4=0⇒t=3±5\displaystyle \Rightarrow t=3\pm\sqrt5에서 t=3−5\displaystyle t=3-\sqrt5를 얻는다.

높이가 t/√2이고 길이가 2-t인 삼각기둥

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