(가)아래의 <그림 1>과 같이 모선의 길이가 l, 밑면인 원의 중심이 M인 원뿔이 있다. 원뿔의 밑면인 원의 둘레 위의 두 점 A, B를 잇는 선분 AB는 점 M을 지난다. 점 A를 지나고 직선 OB에 수직인 평면 α가 선분 OB와 만나는 점을 C라 하자. 점 C는 선분 OB를 이등분한다. 평면 α와 원뿔이 만나는 교선 위에 점 P가 있다. 직선 AC에 대한 점 P의 대칭점을 Q라 하자.
(나)아래의 <그림 2>와 같이 원기둥이 있다. 이 원기둥의 밑면의 반지름은 제시문 (가)의 원뿔의 밑면의 반지름과 같고, 이 원기둥의 높이는 제시문 (가)의 원뿔의 높이와 같다.
(다)아래의 <그림 3>과 같이 제시문 (나)의 원기둥 안에 제시문 (가)의 원뿔이 있다. 점 O를 포함하는 원기둥의 밑면을 포함하는 평면을 β라 하자.
(라)제시문 (다)에서 만든 도형에서 원뿔의 위쪽에 n개의 구가 있다. 모든 구는 평면 β와 만나지 않고, 모든 구의 중심은 한 평면 위에 있다. 모든 구는 양옆에 있는 구와 서로 한 점에서 만난다. 구는 구는 원뿔의 모선과 접하고, 원기둥과 한 점에서 만난다. (단, n은 짝수이다.)
(마)자연수 x=3,4,…,10에 대해서, sin(π/x)와 1/x의 근사값은 다음의 표와 같다.
x
3
4
5
6
7
8
9
10
sin(π/x)
0.8660
0.7071
0.5878
0.5000
0.4339
0.3827
0.3420
0.3090
1/x
0.5774
0.5000
0.4472
0.4082
0.3780
0.3536
0.3333
0.3162
[문제 2-1] 제시문 (가)에서 직선 OP가 원뿔의 밑면과 만나는 점을 K, ∠AMK=θ, 선분 PQ의 길이를 f(θ), 호 AK의 길이를 g(θ)라고 하자. 이때 L(θ)=g(θ)f(θ)와 극한 θ→0+limL(θ)을 각각 구하시오. (15점)
[문제 2-2] 제시문 (라)를 만족하는 구의 반지름은 n에 대한 함수로 나타낼 수 있다. 이때 구의 반지름을 최대로 하는 n의 값을 구하시오. (15점)
해설강의 준비중
연세대 미래캠퍼스 2025학년도 수시 의예과 2번 · mathesis.kr/archive/yonsei_mirae/2025su/uiye_2
(문제 2-1)
- 삼각형 OAB에서 AC⊥OB이고 OC=BC이므로, △OAB는 AO=AB인 이등변삼각형이다. 또한, 원뿔에서 OA=OB=l이므로 △OAB는 정삼각형이다.원뿔의 밑면을 이루는 원의 반지름의 길이를 R이라고 하자. △OAB는 정삼각형이므로 AB=2R=l이고, ∠CAB=π/6이다.
- 다음과 같이 보조선을 긋자.(1) 점 P에서 삼각형 ABC가 만드는 평면에 내린 수선의 발 H(2) 점 H에서 원뿔의 밑면에 내린 수선의 발 G(3) 점 P에서 원뿔의 밑면에 수선의 발 J
- 다음과 같이 서로 수직인 관계를 찾을 수 있다.(1)에 의해서 PH⊥HA (∵ 선분 AH는 평면 위의 선분)(1)과 (2)에 의해서 PH⊥HG(2)에 의해서 HG⊥GJ (∵ 선분 GJ는 평면 위의 선분),(3)에 의해서 PJ⊥JM, PJ⊥JG (∵ 선분 JM, 선분 JG는 평면 위의 선분)
- 그러므로, L(θ)=Rθ2tsinθ=θ(3−cosθ)4sinθ이고, 극한 θ→0+limL(θ)은 다음과 같다.θ→0+limL(θ)=θ→0+limθ(3−cosθ)4sinθ=θ→0+limθsinθ3−cosθ4=2
(문제 2-2)
- 삼각형 OAB에서 AC⊥OB이고 OC=BC이므로, △OAB는 AO=AB인 이등변삼각형이다. 또한, 원뿔에서 OA=OB=l이므로 △OAB는 정삼각형이다.
- 원뿔의 밑면을 이루는 원의 반지름의 길이를 R이라고 하자. △OAB는 정삼각형이므로 AB=2R=l이다.
문제의 구가 양옆에 있는 구와 서로 외접하고, 원기둥의 안쪽 면과 접하는 조건을 사용하기 위해 모든 구의 중심을 지나는 평면을 고려하자. (그림 2-2-1)
- 모든 구의 중심을 지나는 평면은 원뿔의 밑면과 평행하다. 이 평면에 의해 원기둥이 잘린 단면은 원이다. 이 원을 O1이라 하자. 원 O1의 반지름은 R이다.
- 이 평면에 의해 구가 잘린 단면은 원이다. 이 원을 O2이라 하자. 원 O2의 반지름을 r이라 하자.
- n개의 원 O2의 중심은 한 변의 길이가 2r인 정n각형을 이룬다. 이 정n각형의 중심과 각 꼭짓점을 이어 만든 삼각형은 이등변삼각형이 되며, 원 O2의 중심이 되는 꼭짓점에서의 각도는 2π/n이다.Correction. 중심각의 꼭짓점 O2는 O1의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
- 원 O1의 중심에서 원 O2에 접선을 긋자. 이 접선과 두 원 O1, O2의 중심을 이은 직선이 이루는 각을 θ2라 하자. θ2=π/n이다.
- 사잇각이 θ2인 직각삼각형에서, 각 θ2의 대변의 길이는 r이므로 빗변의 길이는 r/sinθ2이다.
- 원 O1의 반지름의 길이는 R이므로,R=sinθ2r+r=(1+sin(π/n)1)r=sin(π/n)1+sin(π/n)r⇒r=1+sin(π/n)Rsin(π/n)이다.
원뿔과 원기둥에 모두 접하는 구가 평면 β 아래에 있기 위한 조건을 구하자. 구와 원뿔의 교점, 구와 원기둥의 접점, 구의 중심을 지나는 평면을 γ라 하자. 주어진 입체도형을 평면 γ로 자른 단면을 고려하자. (그림 2-2-2)
- 구와 원뿔의 접점 V와 직선 OM에 수직인 직선이 원기둥의 옆면과 만나는 점을 Y라 하자. 구의 중심 U에서 직선 VY에 내린 수선의 발을 W라 하자.
제시문 (마)의 표에 의해서 1/3≈0.5774이고, sin(π/5)≈0.5878, sin(π/6)=0.5000이므로 n=6이다.
[문제 2-1] (15점)(상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한 경우(중상) 문제 해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우(중하) 문제 해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수가 있거나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우(하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우
[문제 2-2] (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 실수가 있거나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우(하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우