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문제

【문제 2】아래의 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (30점)

(가) 아래의 <그림 1>과 같이 모선의 길이가 l\displaystyle l, 밑면인 원의 중심이 M\displaystyle M인 원뿔이 있다. 원뿔의 밑면인 원의 둘레 위의 두 점 A\displaystyle A, B\displaystyle B를 잇는 선분 AB\displaystyle AB는 점 M\displaystyle M을 지난다. 점 A\displaystyle A를 지나고 직선 OB\displaystyle OB에 수직인 평면 α\displaystyle \alpha가 선분 OB\displaystyle OB와 만나는 점을 C\displaystyle C라 하자. 점 C\displaystyle C는 선분 OB\displaystyle OB를 이등분한다. 평면 α\displaystyle \alpha와 원뿔이 만나는 교선 위에 점 P\displaystyle P가 있다. 직선 AC\displaystyle AC에 대한 점 P\displaystyle P의 대칭점을 Q\displaystyle 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 O\displaystyle O를 포함하는 원기둥의 밑면을 포함하는 평면을 β\displaystyle \beta라 하자.

(라) 제시문 (다)에서 만든 도형에서 원뿔의 위쪽에 n\displaystyle n개의 구가 있다. 모든 구는 평면 β\displaystyle \beta와 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, n\displaystyle n은 짝수이다.)

원뿔, 원기둥 및 두 입체 사이에 놓인 구

(마) 자연수 x=3,4,…,10\displaystyle x=3,4,\ldots,10에 대해서, sin⁡(π/x)\displaystyle \sin(\pi/x)와 1/x\displaystyle 1/\sqrt x의 근사값은 다음의 표와 같다.

x\displaystyle x345678910
sin⁡(π/x)\displaystyle \sin(\pi/x)0.86600.70710.58780.50000.43390.38270.34200.3090
1/x\displaystyle 1/\sqrt x0.57740.50000.44720.40820.37800.35360.33330.3162

[문제 2-1] 제시문 (가)에서 직선 OP\displaystyle OP가 원뿔의 밑면과 만나는 점을 K\displaystyle K, ∠AMK=θ\displaystyle \angle AMK=\theta, 선분 PQ\displaystyle PQ의 길이를 f(θ)\displaystyle f(\theta), 호 AK\displaystyle AK의 길이를 g(θ)\displaystyle g(\theta)라고 하자. 이때 L(θ)=f(θ)g(θ)\displaystyle L(\theta)=\frac{f(\theta)}{g(\theta)}와 극한 lim⁡θ→0+L(θ)\displaystyle \lim_{\theta\to0^+}L(\theta)을 각각 구하시오. (15점)

[문제 2-2] 제시문 (라)를 만족하는 구의 반지름은 n\displaystyle n에 대한 함수로 나타낼 수 있다. 이때 구의 반지름을 최대로 하는 n\displaystyle n의 값을 구하시오. (15점)

해설강의 준비중

(문제 2-1)

- 삼각형 OAB\displaystyle OAB에서 AC‾⊥OB‾\displaystyle \overline{AC}\perp\overline{OB}이고 OC‾=BC‾\displaystyle \overline{OC}=\overline{BC}이므로, △OAB\displaystyle \triangle OAB는 AO‾=AB‾\displaystyle \overline{AO}=\overline{AB}인 이등변삼각형이다. 또한, 원뿔에서 OA‾=OB‾=l\displaystyle \overline{OA}=\overline{OB}=l이므로 △OAB\displaystyle \triangle OAB는 정삼각형이다.원뿔의 밑면을 이루는 원의 반지름의 길이를 R\displaystyle R이라고 하자. △OAB\displaystyle \triangle OAB는 정삼각형이므로 AB‾=2R=l\displaystyle \overline{AB}=2R=l이고, ∠CAB=π/6\displaystyle \angle CAB=\pi/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‾\displaystyle \overline{PH}\perp\overline{HA} (∵ 선분 AH는 평면 위의 선분)(1)과 (2)에 의해서 PH‾⊥HG‾\displaystyle \overline{PH}\perp\overline{HG}(2)에 의해서 HG‾⊥GJ‾\displaystyle \overline{HG}\perp\overline{GJ} (∵ 선분 GJ는 평면 위의 선분),(3)에 의해서 PJ‾⊥JM‾\displaystyle \overline{PJ}\perp\overline{JM}, PJ‾⊥JG‾\displaystyle \overline{PJ}\perp\overline{JG} (∵ 선분 JM, 선분 JG는 평면 위의 선분)

- 사각형 HGJP\displaystyle HGJP에서, PH‾⊥HG‾\displaystyle \overline{PH}\perp\overline{HG}, HG‾⊥GJ‾\displaystyle \overline{HG}\perp\overline{GJ}, PJ‾⊥JG‾\displaystyle \overline{PJ}\perp\overline{JG}이므로 HP‾⊥PJ‾\displaystyle \overline{HP}\perp\overline{PJ}이다.그러므로 사각형 HGJP\displaystyle HGJP는 직사각형이고, HG‾=PJ‾\displaystyle \overline{HG}=\overline{PJ}이다.

원뿔 절단선의 보조선과 밑면 평면도

- 삼각형 GMJ\displaystyle GMJ에서 ∠AMK=θ\displaystyle \angle AMK=\theta, MJ‾=t\displaystyle \overline{MJ}=t라고 하자.

- 호 AK\displaystyle AK에서 중심각의 크기가 ∠AMK=θ\displaystyle \angle AMK=\theta이고 반지름의 길이가 AM‾=R=l/2\displaystyle \overline{AM}=R=l/2이므로, g(θ)=Rθ\displaystyle g(\theta)=R\theta이다.

- 직각삼각형 MGJ\displaystyle MGJ에서 ∠GMJ=θ\displaystyle \angle GMJ=\theta, MJ‾=t\displaystyle \overline{MJ}=t, ∠MGJ=π/2\displaystyle \angle MGJ=\pi/2이므로, JG‾=tsin⁡θ\displaystyle \overline{JG}=t\sin\theta이다.

- 직사각형 HGJP\displaystyle HGJP에서 JG‾=PH‾\displaystyle \overline{JG}=\overline{PH}이므로, JG‾=PH‾=tsin⁡θ\displaystyle \overline{JG}=\overline{PH}=t\sin\theta이다.

- 점 Q\displaystyle Q는 점 P\displaystyle P의 직선 AC\displaystyle AC에 대한 대칭점이고 점 H\displaystyle H는 점 P\displaystyle P의 선분 AC\displaystyle AC 위로의 수선의 발이므로, PQ‾=2PH‾=2tsin⁡θ\displaystyle \overline{PQ}=2\overline{PH}=2t\sin\theta이다.

- 그러므로, L(θ)=f(θ)g(θ)=2tsin⁡θRθ\displaystyle L(\theta)=\frac{f(\theta)}{g(\theta)}=\frac{2t\sin\theta}{R\theta}이다.

두 직각삼각형의 길이 관계

- 직각삼각형 MGJ\displaystyle MGJ에서 GM‾=tcos⁡θ\displaystyle \overline{GM}=t\cos\theta, MJ‾=t\displaystyle \overline{MJ}=t, 반지름 MA‾=MK‾=R\displaystyle \overline{MA}=\overline{MK}=R이므로, GA‾=R−tcos⁡θ\displaystyle \overline{GA}=R-t\cos\theta, JK‾=R−t\displaystyle \overline{JK}=R-t이다.

- 직각삼각형 AGH\displaystyle AGH에서 AG‾=R−tcos⁡θ\displaystyle \overline{AG}=R-t\cos\theta, ∠AGH=π/2\displaystyle \angle AGH=\pi/2이므로, HG‾=(R−tcos⁡θ)/3\displaystyle \overline{HG}=(R-t\cos\theta)/\sqrt3이다.

- 직각삼각형 KJP\displaystyle KJP에서 KJ‾=R−t\displaystyle \overline{KJ}=R-t, ∠KJP=π/2\displaystyle \angle KJP=\pi/2이므로, PJ‾=3(R−t)\displaystyle \overline{PJ}=\sqrt3(R-t)이다.

- 직사각형 HGJP\displaystyle HGJP에서 HG‾=PJ‾\displaystyle \overline{HG}=\overline{PJ}이므로, HG‾=(R−tcos⁡θ)/3=PJ‾=3(R−t)\displaystyle \overline{HG}=(R-t\cos\theta)/\sqrt3=\overline{PJ}=\sqrt3(R-t)⇒t=2R3−cos⁡θ\displaystyle \Rightarrow t=\frac{2R}{3-\cos\theta}

- 그러므로, L(θ)=2tsin⁡θRθ=4sin⁡θθ(3−cos⁡θ)\displaystyle L(\theta)=\frac{2t\sin\theta}{R\theta}=\frac{4\sin\theta}{\theta(3-\cos\theta)}이고, 극한 lim⁡θ→0+L(θ)\displaystyle \lim_{\theta\to0^+}L(\theta)은 다음과 같다.lim⁡θ→0+L(θ)=lim⁡θ→0+4sin⁡θθ(3−cos⁡θ)=lim⁡θ→0+sin⁡θθ43−cos⁡θ=2\displaystyle \lim_{\theta\to0^+}L(\theta)=\lim_{\theta\to0^+}\frac{4\sin\theta}{\theta(3-\cos\theta)}=\lim_{\theta\to0^+}\frac{\sin\theta}\theta\frac4{3-\cos\theta}=2

(문제 2-2)

- 삼각형 OAB\displaystyle OAB에서 AC‾⊥OB‾\displaystyle \overline{AC}\perp\overline{OB}이고 OC‾=BC‾\displaystyle \overline{OC}=\overline{BC}이므로, △OAB\displaystyle \triangle OAB는 AO‾=AB‾\displaystyle \overline{AO}=\overline{AB}인 이등변삼각형이다. 또한, 원뿔에서 OA‾=OB‾=l\displaystyle \overline{OA}=\overline{OB}=l이므로 △OAB\displaystyle \triangle OAB는 정삼각형이다.

- 원뿔의 밑면을 이루는 원의 반지름의 길이를 R\displaystyle R이라고 하자. △OAB\displaystyle \triangle OAB는 정삼각형이므로 AB‾=2R=l\displaystyle \overline{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 O1\displaystyle O_1이라 하자. 원 O1\displaystyle O_1의 반지름은 R\displaystyle R이다.

- 이 평면에 의해 구가 잘린 단면은 원이다. 이 원을 O2\displaystyle O_2이라 하자. 원 O2\displaystyle O_2의 반지름을 r\displaystyle r이라 하자.

- n\displaystyle n개의 원 O2\displaystyle O_2의 중심은 한 변의 길이가 2r\displaystyle 2r인 정n\displaystyle n각형을 이룬다. 이 정n\displaystyle n각형의 중심과 각 꼭짓점을 이어 만든 삼각형은 이등변삼각형이 되며, 원 O2\displaystyle O_2의 중심이 되는 꼭짓점에서의 각도는 2π/n\displaystyle 2\pi/n이다.Correction. 중심각의 꼭짓점 O2\displaystyle O_2는 O1\displaystyle O_1의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

- 원 O1\displaystyle O_1의 중심에서 원 O2\displaystyle O_2에 접선을 긋자. 이 접선과 두 원 O1\displaystyle O_1, O2\displaystyle O_2의 중심을 이은 직선이 이루는 각을 θ2\displaystyle \theta_2라 하자. θ2=π/n\displaystyle \theta_2=\pi/n이다.

- 사잇각이 θ2\displaystyle \theta_2인 직각삼각형에서, 각 θ2\displaystyle \theta_2의 대변의 길이는 r\displaystyle r이므로 빗변의 길이는 r/sin⁡θ2\displaystyle r/\sin\theta_2이다.

- 원 O1\displaystyle O_1의 반지름의 길이는 R\displaystyle R이므로,R=rsin⁡θ2+r=(1+1sin⁡(π/n))r=1+sin⁡(π/n)sin⁡(π/n)r⇒r=Rsin⁡(π/n)1+sin⁡(π/n)\displaystyle R=\frac r{\sin\theta_2}+r=\left(1+\frac1{\sin(\pi/n)}\right)r=\frac{1+\sin(\pi/n)}{\sin(\pi/n)}r\quad\Rightarrow\quad r=\frac{R\sin(\pi/n)}{1+\sin(\pi/n)}이다.

그림 2-2-1 구들의 중심을 지나는 단면과 원기둥

원뿔과 원기둥에 모두 접하는 구가 평면 β\displaystyle \beta 아래에 있기 위한 조건을 구하자. 구와 원뿔의 교점, 구와 원기둥의 접점, 구의 중심을 지나는 평면을 γ\displaystyle \gamma라 하자. 주어진 입체도형을 평면 γ\displaystyle \gamma로 자른 단면을 고려하자. (그림 2-2-2)

- 구와 원뿔의 접점 V\displaystyle V와 직선 OM\displaystyle OM에 수직인 직선이 원기둥의 옆면과 만나는 점을 Y\displaystyle Y라 하자. 구의 중심 U\displaystyle U에서 직선 VY\displaystyle VY에 내린 수선의 발을 W\displaystyle W라 하자.

- 직각삼각형 UVW\displaystyle UVW에서 ∠UVW=π/6\displaystyle \angle UVW=\pi/6, UV‾=r\displaystyle \overline{UV}=r, ∠UWV=π/2\displaystyle \angle UWV=\pi/2이므로 VW‾=3r/2\displaystyle \overline{VW}=\sqrt3r/2, UW‾=r/2\displaystyle \overline{UW}=r/2이다.

- 직각삼각형 VXY\displaystyle VXY에서 ∠VXY=π/6\displaystyle \angle VXY=\pi/6, VY‾=r+r3/2\displaystyle \overline{VY}=r+r\sqrt3/2, ∠XYV=π/2\displaystyle \angle XYV=\pi/2이므로 XY‾=r3(1+3/2)\displaystyle \overline{XY}=r\sqrt3(1+\sqrt3/2)이다.

- 그러므로 U2W2‾=U2U‾+UW‾+WW2‾=r+r/2+r3(1+3/2)=(3+3)r\displaystyle \overline{U_2W_2}=\overline{U_2U}+\overline{UW}+\overline{WW_2}=r+r/2+r\sqrt3(1+\sqrt3/2)=(3+\sqrt3)r이다.

구가 평면 β\displaystyle \beta와 만나지 않기 위해서는 OM‾>U2W2‾\displaystyle \overline{OM}>\overline{U_2W_2}이어야 한다.

3R=OM‾>U2W2‾=(3+3)r=R(3+3)sin⁡(π/n)1+sin⁡(π/n)⇔3>(3+3)sin⁡(π/n)1+sin⁡(π/n)⇔33+3>sin⁡(π/n)1+sin⁡(π/n)⇔3+33<1+sin⁡(π/n)sin⁡(π/n)⇔3+1<1sin⁡(π/n)+1⇔13>sin⁡(π/n)\displaystyle \begin{aligned}\sqrt3R=\overline{OM}>\overline{U_2W_2}&=(3+\sqrt3)r=\frac{R(3+\sqrt3)\sin(\pi/n)}{1+\sin(\pi/n)}\\\Leftrightarrow\quad\sqrt3&>\frac{(3+\sqrt3)\sin(\pi/n)}{1+\sin(\pi/n)}\quad\Leftrightarrow\quad\frac{\sqrt3}{3+\sqrt3}>\frac{\sin(\pi/n)}{1+\sin(\pi/n)}\\\Leftrightarrow\quad\frac{3+\sqrt3}{\sqrt3}&<\frac{1+\sin(\pi/n)}{\sin(\pi/n)}\\\Leftrightarrow\quad\sqrt3+1&<\frac1{\sin(\pi/n)}+1\quad\Leftrightarrow\quad\frac1{\sqrt3}>\sin(\pi/n)\end{aligned}

제시문 (마)의 표에 의해서 1/3≈0.5774\displaystyle 1/\sqrt3\approx0.5774이고, sin⁡(π/5)≈0.5878\displaystyle \sin(\pi/5)\approx0.5878, sin⁡(π/6)=0.5000\displaystyle \sin(\pi/6)=0.5000이므로 n=6\displaystyle n=6이다.

그림 2-2-2 구와 원뿔 및 원기둥이 접하는 단면

[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

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