기하공간벡터수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

구 위 점 내적 최댓값

문제

좌표공간에 구 C:x2+y2+(z+2)2=2C : x ^{2} + y ^{2} + ( z + 2 ) ^{2} = 2와 점 A(0,3,3)\mathrm{A} ( 0 , 3 , 3 )이 있다. 구 CC 위의 점 P{\mathrm{P}}AQ=2\left| \vec{{\mathrm{AQ}}} \right| = 2, OAQA=36\displaystyle \vec{{\mathrm{OA}}} \bullet \vec{{\mathrm{QA}}} = 3 \sqrt{6}을 만족시키는 점 Q{\mathrm{Q}}에 대하여 APAQ\vec{{\mathrm{AP}}} \bullet \vec{{\mathrm{AQ}}}의 최댓값은 p2+q6\displaystyle p \sqrt{2} + q \sqrt{6}이다. p+qp + q의 값을 구하시오. (단, O{\mathrm{O}}는 원점이고, pp, qq는 유리수이다.) [4점]

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해설

APAQ=(AC+CP)AQ\mathrm{\vec{AP}} \cdot \vec{AQ} = \left( \vec{AC} + \vec{CP} \right) \cdot \vec{AQ}==ACAQ+CPAQ\mathrm{\vec{AC}} \cdot {\vec{AQ}} + {\vec{CP}} \cdot {\vec{AQ}} CPAQ2×2=22\displaystyle \mathrm{\vec{CP}} \cdot \vec{AQ} \leq \sqrt{2} \times 2 = 2 \sqrt{2} AO\mathrm{\vec{AO}}AQ\mathrm{\vec{AQ}}가 이루는 각의 크기는 π6\displaystyle \frac{\pi}{6} OA\mathrm{\vec{OA}}AC\mathrm{\vec{AC}}가 이루는 각의 크기를 α\alpha라 하면 AC=(0,3,5)\mathrm{\vec{AC}} = ( 0 , - 3 , - 5 ), AO=(0,3,3)\mathrm{\vec{AO}} = ( 0 , - 3 , - 3 ) cosα=417\displaystyle \cos \alpha = \frac{4}{\sqrt{17}}, sinα=117\displaystyle \sin \alpha = \frac{1}{\sqrt{17}} cos(π6α)=43+1217\displaystyle \cos \left( \frac{\pi}{6} - \alpha \right) = \frac{4 \sqrt{3} + 1}{2 \sqrt{17}} ACAQ\mathrm{\vec{AC}} \cdot \vec{AQ} \leq34×2×(43+1217)\displaystyle \sqrt{34} \times 2 \times \left( \frac{4 \sqrt{3} + 1}{2 \sqrt{17}} \right)=46+2\displaystyle = 4 \sqrt{6} + \sqrt{2} 따라서 최댓값은 (46+2)+22=46+32\displaystyle ( 4 \sqrt{6} + \sqrt{2} ) + 2 \sqrt{2} = 4 \sqrt{6} + 3 \sqrt{2}, \therefore p+q=3+4=7p + q = 3 + 4 = 7

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