수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I (오전) 4번

문제

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해설강의 준비중

[문제 4-1]먼저 삼각기둥 ABCDEF\displaystyle \mathrm{ABC-DEF}를 이루는 면들에 대해 법선벡터와 넓이를 구하여 보자.

(i) 앞면 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}는 세 변의 길이가 각각 2\displaystyle 2, 6\displaystyle \sqrt6, 6\displaystyle \sqrt6인 이등변 삼각형이므로 피타고라스의 정리를 이용하여 높이가 5\displaystyle \sqrt5임을 알 수 있고, 따라서 그 넓이는 5\displaystyle \sqrt5이다. 세 점 (1,0,0)\displaystyle (1,0,0), (1,2,0)\displaystyle (1,2,0), (0,1,2)\displaystyle (0,1,-2)가 이루는 평면의 방정식을 생각하면 이에 수직인 벡터는 (2,0,1)\displaystyle (-2,0,1)이다.(ii) 마찬가지로, 사각형 ACFD\displaystyle \mathrm{ACFD}의 넓이는 25\displaystyle 2\sqrt5이고, 세 꼭짓점들을 골라 평면의 방정식을 생각하면, 이는 벡터 (1,0,2)\displaystyle (1,0,2)와 수직임을 알 수 있다.

평면 z=3에서 잘린 오각형과 정사영

잘린 면의 모양은 오각형이며, 그 넓이는 (i), (ii)에서 구한 두 다각형을 평면 z=3\displaystyle z=3에 정사영하여 얻을 수 있다. 먼저 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}z=3\displaystyle z=3가 이루는 이면각을 θ1\displaystyle \theta_1이라 두면, cos(θ1)=(0,0,1)(2,0,1)(0,0,1)(2,0,1)=25\displaystyle \cos(\theta_1)=\frac{(0,0,1)\cdot(-2,0,1)}{|(0,0,1)|\,|(-2,0,1)|}=\frac2{\sqrt5}. 마찬가지로 사각형 ACFD\displaystyle \mathrm{ACFD}z=3\displaystyle z=3가 이루는 각을 θ2\displaystyle \theta_2라 두면, cos(θ2)=15 (θ1+θ2=π2)\displaystyle \cos(\theta_2)=\frac1{\sqrt5}\ \left(\because\theta_1+\theta_2=\frac\pi2\right). 따라서 구하려는 잘린 면의 넓이는 5×15+25×25=5\displaystyle \sqrt5\times\frac1{\sqrt5}+2\sqrt5\times\frac2{\sqrt5}=5가 된다.Correction. cosθ1=15\displaystyle \cos\theta_1=\frac1{\sqrt5}, cosθ2=25\displaystyle \cos\theta_2=\frac2{\sqrt5}이다. 두 값이 서로 바뀌어 있으나, 마지막 넓이 계산에는 올바른 값이 쓰였다. 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[문제 4-2]그림에 있는 다면체 V\displaystyle V 내부에서 위쪽에 보이는 삼각기둥 모양을 제외한 것을 V\displaystyle V^{\prime}이라 하자. 평면 z=1\displaystyle z=1로 자른 아래 부분을 입체도형의 위쪽으로 끼워넣는다고 생각하면 V\displaystyle V^{\prime}은 [문제 4-1]의 오각형을 단면으로 하고 높이가 6\displaystyle 6인 오각기둥과 같은 부피를 갖는다.따라서 V\displaystyle V의 부피는 (오각기둥의 부피)+\displaystyle +(삼각기둥의 부피)=5×6+12×25×5=35\displaystyle =5\times6+\frac12\times2\sqrt5\times\sqrt5=35이다.

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