기하공간도형과 공간좌표수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

구의 두 단면 넓이 합

문제

거리가 11인 두 평행한 평면으로 반지름의 길이가 11인 구를 잘라서 얻어진 두 단면의 넓이의 합의 최댓값은? [3점]

12π\displaystyle \frac{1}{2} \pi34π\displaystyle \frac{3}{4} \piπ\pi32π\displaystyle \frac{3}{2} \pi2π2 \pi

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해설

주어진 그림에서 위, 아래의 단면은 원이다. 즉, 반지름의 길이를 각각 r1r _{1}, r2r _{2}로 놓고 위 그림을 얻을 수 있다. 구의 중심에서 위의 단면까지의 거리를 xx로 놓으면 r12=1x2r _{1} ^{2} = 1 - x ^{2}, r22=1(1x)2=x2+2xr _{2} ^{2} = 1 - ( 1 - x ) ^{2} = - x ^{2} + 2 x 따라서, 두 단면의 넓이의 합은 πr12+πr22=π(1x2x2+2x)\pi r _{1} ^{2} + \pi r _{2} ^{2} = \pi ( 1 - x ^{2} - x ^{2} + 2 x ) =π(2x2+2x+1)= \pi ( - 2 x ^{2} + 2 x + 1 ) =π{2(x12)2+32}\displaystyle = \pi \left\{ - 2 ( x - \frac{1}{2} ) ^{2} + \frac{3}{2} \right\} 따라서 x=12\displaystyle x = \frac{1}{2}일 때, 넓이의 합은 최댓값 32\displaystyle \frac{3}{2}π를 갖는다.

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