+50점 · 정사각형의 대각선의 교점을 O \displaystyle \mathrm O O , 선분 A B \displaystyle AB A B 의 중점을 E \displaystyle E E , 선분 B C \displaystyle BC B C 의 중점을 F \displaystyle F F 라고 하자. 이등변삼각형에서 내접원의 반지름을 r \displaystyle r r , 이 삼각형의 넓이를 S \displaystyle S S , 이 삼각형의 둘레의 길이를 L \displaystyle L L 이라고 하면, S = r L 2 \displaystyle S=r\frac L2 S = r 2 L 를 만족하므로, 삼각형 H A B \displaystyle HAB H A B 내접원의 반지름은 15 5 \displaystyle \frac{\sqrt{15}}5 5 15 이다. 점 P \displaystyle P P 는 선분 H E \displaystyle HE H E 위에 있고, 선분 H P \displaystyle HP H P 의 길이는 4 15 5 \displaystyle 4\frac{\sqrt{15}}5 4 5 15 이 되어, ∣ H P → 2 ∣ 2 = 12 5 \displaystyle \left|\frac{\overrightarrow{\mathrm{HP}}}2\right|^2=\frac{12}5 2 HP 2 = 5 12 이다.
x ⃗ = O E → , y ⃗ = O F → , z ⃗ = O H → \displaystyle \vec x=\overrightarrow{\mathrm{OE}},\;\vec y=\overrightarrow{\mathrm{OF}},\;\vec z=\overrightarrow{\mathrm{OH}} x = OE , y = OF , z = OH 라고 하자(∣ x ⃗ ∣ = ∣ y ⃗ ∣ = 1 , ∣ z ⃗ ∣ = 14 \displaystyle |\vec x|=|\vec y|=1,\;|\vec z|=\sqrt{14} ∣ x ∣ = ∣ y ∣ = 1 , ∣ z ∣ = 14 ). 점 P \displaystyle P P 는 선분 H E \displaystyle HE H E 를 4 : 1 \displaystyle 4:1 4 : 1 로 내분하므로, O P → = 4 5 x ⃗ + 1 5 z ⃗ \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}=\frac45\vec x+\frac15\vec z OP = 5 4 x + 5 1 z 이고, 마찬가지로 O Q → = 4 5 y ⃗ + 1 5 z ⃗ \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}}=\frac45\vec y+\frac15\vec z OQ = 5 4 y + 5 1 z 임을 알 수 있다. 선분 D B \displaystyle DB D B 위의 임의의 점 R \displaystyle R R 에 대하여 O R → = t ( x ⃗ + y ⃗ ) \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}=t(\vec x+\vec y) OR = t ( x + y ) 라고 하면(− 1 ≤ t ≤ 1 \displaystyle -1\le t\le1 − 1 ≤ t ≤ 1 ),
P R → = ( t − 4 5 ) x ⃗ + t y ⃗ − 1 5 z ⃗ , \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PR}}=\left(t-\frac45\right)\vec x+t\vec y-\frac15\vec z, PR = ( t − 5 4 ) x + t y − 5 1 z ,
Q R → = t x ⃗ + ( t − 4 5 ) y ⃗ − 1 5 z ⃗ \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{QR}}=t\vec x+\left(t-\frac45\right)\vec y-\frac15\vec z QR = t x + ( t − 5 4 ) y − 5 1 z 이므로,
P R → ⋅ Q R → = 2 t ( t − 4 5 ) + 14 25 = 2 ( t − 2 5 ) 2 + 6 25 \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PR}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{QR}}=2t\left(t-\frac45\right)+\frac{14}{25}=2\left(t-\frac25\right)^2+\frac6{25} PR ⋅ QR = 2 t ( t − 5 4 ) + 25 14 = 2 ( t − 5 2 ) 2 + 25 6 이다.
∣ t ∣ ≤ 1 \displaystyle |t|\le1 ∣ t ∣ ≤ 1 이므로 6 25 ≤ P R → ⋅ Q R → ≤ 104 25 \displaystyle \frac6{25}\le\overrightarrow{\mathrm{PR}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{QR}}\le\frac{104}{25} 25 6 ≤ PR ⋅ QR ≤ 25 104 이다. 정사각형의 대각선의 교점을 O \displaystyle \mathrm O O , 선분 A B \displaystyle AB A B 의 중점을 E \displaystyle E E , 선분 B C \displaystyle BC B C 의 중점을 F \displaystyle F F 라고 하자. 이등변삼각형에서 내접원의 반지름을 r \displaystyle r r , 이 삼각형의 넓이를 S \displaystyle S S , 이 삼각형의 둘레의 길이를 L \displaystyle L L 이라고 하면, S = r L 2 \displaystyle S=r\frac L2 S = r 2 L 를 만족하므로, 삼각형 H A B \displaystyle HAB H A B 내접원의 반지름은 15 5 \displaystyle \frac{\sqrt{15}}5 5 15 이다. 점 P \displaystyle P P 는 선분 H E \displaystyle HE H E 위에 있고, 선분 H P \displaystyle HP H P 의 길이는 4 15 5 \displaystyle 4\frac{\sqrt{15}}5 4 5 15 이 되어, ∣ H P → 2 ∣ 2 = 12 5 \displaystyle \left|\frac{\overrightarrow{\mathrm{HP}}}2\right|^2=\frac{12}5 2 HP 2 = 5 12 이다. x ⃗ = O E → , y ⃗ = O F → , z ⃗ = O H → \displaystyle \vec x=\overrightarrow{\mathrm{OE}},\;\vec y=\overrightarrow{\mathrm{OF}},\;\vec z=\overrightarrow{\mathrm{OH}} x = OE , y = OF , z = OH 라고 하자(∣ x ⃗ ∣ = ∣ y ⃗ ∣ = 1 , ∣ z ⃗ ∣ = 14 \displaystyle |\vec x|=|\vec y|=1,\;|\vec z|=\sqrt{14} ∣ x ∣ = ∣ y ∣ = 1 , ∣ z ∣ = 14 ). 점 P \displaystyle P P 는 선분 H E \displaystyle HE H E 를 4 : 1 \displaystyle 4:1 4 : 1 로 내분하므로, O P → = 4 5 x ⃗ + 1 5 z ⃗ \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OP}}=\frac45\vec x+\frac15\vec z OP = 5 4 x + 5 1 z 이고, 마찬가지로 O Q → = 4 5 y ⃗ + 1 5 z ⃗ \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OQ}}=\frac45\vec y+\frac15\vec z OQ = 5 4 y + 5 1 z 임을 알 수 있다. 선분 D B \displaystyle DB D B 위의 임의의 점 R \displaystyle R R 에 대하여 O R → = t ( x ⃗ + y ⃗ ) \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OR}}=t(\vec x+\vec y) OR = t ( x + y ) 라고 하면(− 1 ≤ t ≤ 1 \displaystyle -1\le t\le1 − 1 ≤ t ≤ 1 ),P R → = ( t − 4 5 ) x ⃗ + t y ⃗ − 1 5 z ⃗ , \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PR}}=\left(t-\frac45\right)\vec x+t\vec y-\frac15\vec z, PR = ( t − 5 4 ) x + t y − 5 1 z , Q R → = t x ⃗ + ( t − 4 5 ) y ⃗ − 1 5 z ⃗ \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{QR}}=t\vec x+\left(t-\frac45\right)\vec y-\frac15\vec z QR = t x + ( t − 5 4 ) y − 5 1 z 이므로,P R → ⋅ Q R → = 2 t ( t − 4 5 ) + 14 25 = 2 ( t − 2 5 ) 2 + 6 25 \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PR}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{QR}}=2t\left(t-\frac45\right)+\frac{14}{25}=2\left(t-\frac25\right)^2+\frac6{25} PR ⋅ QR = 2 t ( t − 5 4 ) + 25 14 = 2 ( t − 5 2 ) 2 + 25 6 이다.∣ t ∣ ≤ 1 \displaystyle |t|\le1 ∣ t ∣ ≤ 1 이므로 6 25 ≤ P R → ⋅ Q R → ≤ 104 25 \displaystyle \frac6{25}\le\overrightarrow{\mathrm{PR}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{QR}}\le\frac{104}{25} 25 6 ≤ PR ⋅ QR ≤ 25 104 이다.
+40점 · P X → ⋅ H X → = P X → ⋅ ( H P → + P X → ) = ∣ P X → ∣ 2 + H P → ⋅ P X → = ∣ P X → + H P → 2 ∣ 2 − ∣ H P → 2 ∣ 2 \displaystyle \begin{aligned}\overrightarrow{\mathrm{PX}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{HX}}&=\overrightarrow{\mathrm{PX}}\cdot(\overrightarrow{\mathrm{HP}}+\overrightarrow{\mathrm{PX}})\\&=|\overrightarrow{\mathrm{PX}}|^2+\overrightarrow{\mathrm{HP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PX}}=\left|\overrightarrow{\mathrm{PX}}+\frac{\overrightarrow{\mathrm{HP}}}2\right|^2-\left|\frac{\overrightarrow{\mathrm{HP}}}2\right|^2\end{aligned} PX ⋅ HX = PX ⋅ ( HP + PX ) = ∣ PX ∣ 2 + HP ⋅ PX = PX + 2 HP 2 − 2 HP 2
이므로 집합 S \displaystyle S S 가 공집합이 되기 위해서는 선분 D B \displaystyle DB D B 위의 임의의 점 R \displaystyle R R 에 대하여 ∣ H P → 2 ∣ 2 + k P R → ⋅ Q R → < 0 \displaystyle \left|\frac{\overrightarrow{\mathrm{HP}}}2\right|^2+k\overrightarrow{\mathrm{PR}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{QR}}<0 2 HP 2 + k PR ⋅ QR < 0 이 되어야 한다. P R → ⋅ Q R → \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PR}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{QR}} PR ⋅ QR 는 양수이므로 k \displaystyle k k 는 음수가 되어야 한다. 따라서, P R → ⋅ Q R → \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PR}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{QR}} PR ⋅ QR 의 최솟값에서도 음수가 되어야 하므로, 구하는 범위는 12 5 + k 6 25 < 0 \displaystyle \frac{12}5+k\frac6{25}<0 5 12 + k 25 6 < 0 , 즉, k < − 10 \displaystyle k<-10 k < − 10 이다. P X → ⋅ H X → = P X → ⋅ ( H P → + P X → ) = ∣ P X → ∣ 2 + H P → ⋅ P X → = ∣ P X → + H P → 2 ∣ 2 − ∣ H P → 2 ∣ 2 \displaystyle \begin{aligned}\overrightarrow{\mathrm{PX}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{HX}}&=\overrightarrow{\mathrm{PX}}\cdot(\overrightarrow{\mathrm{HP}}+\overrightarrow{\mathrm{PX}})\\&=|\overrightarrow{\mathrm{PX}}|^2+\overrightarrow{\mathrm{HP}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PX}}=\left|\overrightarrow{\mathrm{PX}}+\frac{\overrightarrow{\mathrm{HP}}}2\right|^2-\left|\frac{\overrightarrow{\mathrm{HP}}}2\right|^2\end{aligned} PX ⋅ HX = PX ⋅ ( HP + PX ) = ∣ PX ∣ 2 + HP ⋅ PX = PX + 2 HP 2 − 2 HP 2 이므로 집합 S \displaystyle S S 가 공집합이 되기 위해서는 선분 D B \displaystyle DB D B 위의 임의의 점 R \displaystyle R R 에 대하여 ∣ H P → 2 ∣ 2 + k P R → ⋅ Q R → < 0 \displaystyle \left|\frac{\overrightarrow{\mathrm{HP}}}2\right|^2+k\overrightarrow{\mathrm{PR}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{QR}}<0 2 HP 2 + k PR ⋅ QR < 0 이 되어야 한다. P R → ⋅ Q R → \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PR}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{QR}} PR ⋅ QR 는 양수이므로 k \displaystyle k k 는 음수가 되어야 한다. 따라서, P R → ⋅ Q R → \displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PR}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{QR}} PR ⋅ QR 의 최솟값에서도 음수가 되어야 하므로, 구하는 범위는 12 5 + k 6 25 < 0 \displaystyle \frac{12}5+k\frac6{25}<0 5 12 + k 25 6 < 0 , 즉, k < − 10 \displaystyle k<-10 k < − 10 이다.