수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문항 3] 다음 제시문을 읽고 문제(논제 1, 논제 2)에 답하시오. (40점)

(ㄱ) 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}는 다음 조건을 만족시킨다.(가) 세 변의 길이 중 가장 짧은 변의 길이는 3이다.(나) sin⁡2B=sin⁡2C\displaystyle \sin2B=\sin2C 또는 cos⁡2B=cos⁡2C\displaystyle \cos2B=\cos2C

(ㄴ) 제시문 (ㄱ)의 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}에 대하여 집합 M\displaystyle M은 다음과 같다.집합 M\displaystyle M은 cos⁡B=13\displaystyle \cos B=\frac{1}{3}일 때 BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}가 가질 수 있는 모든 값의 모임이다.

(ㄷ) 제시문 (ㄱ)의 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}에 대하여 상수 p\displaystyle p, q\displaystyle q, r\displaystyle r은 다음과 같다.(가) 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}의 중점을 P\displaystyle \mathrm{P}라 할 때, 삼각형 APC\displaystyle \mathrm{APC}의 외접원의 넓이를 S1\displaystyle S_{1}, 삼각형 BPC\displaystyle \mathrm{BPC}의 외접원의 넓이를 S2\displaystyle S_{2}라 하자.(나) S1S2\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}의 값이 18\displaystyle \frac{1}{8}일 때 BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}의 최솟값을 p\displaystyle p, S1S2\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}의 값이 38\displaystyle \frac{3}{8}일 때 BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}의 최솟값을 q\displaystyle q, S1S2\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}의 값이 58\displaystyle \frac{5}{8}일 때 BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}의 최솟값을 r\displaystyle r이라 하자.

논제 1. (15점) 제시문의 집합 M\displaystyle M을 구하고 그 근거를 논술하시오.

논제 2. (25점) 제시문의 상수 p\displaystyle p, q\displaystyle q, r\displaystyle r의 값을 구하고 그 근거를 논술하시오.

해설강의 준비중

논제 1.

+5점 · 가능한 삼각형

제시문 (ㄱ)의 (나)에 의하면 sin⁡2B=sin⁡2C\displaystyle \sin2B=\sin2C이거나 cos⁡2B=cos⁡2C\displaystyle \cos2B=\cos2C이다. 삼각형의 각은 0\displaystyle 0보다 크고 π\displaystyle \pi보다 작으므로 sin⁡2B=sin⁡2C\displaystyle \sin2B=\sin2C이면 2B=2C\displaystyle 2B=2C이거나 2B=π−2C\displaystyle 2B=\pi-2C이고, cos⁡2B=cos⁡2C\displaystyle \cos2B=\cos2C이면 2B=2C\displaystyle 2B=2C이거나 2B=2π−2C\displaystyle 2B=2\pi-2C이다. 한편 A+B+C=π\displaystyle A+B+C=\pi를 만족하려면 2B=2π−2C\displaystyle 2B=2\pi-2C는 성립할 수 없다. 따라서 가능한 경우는 A=B+C=π2\displaystyle A=B+C=\frac{\pi}{2}인 직각삼각형과 B=C\displaystyle B=C인 이등변삼각형 두 가지가 있다.집합 M\displaystyle M을 구하기 위해 cos⁡B=13\displaystyle \cos B=\frac{1}{3}이라고 하자.

+5점 · 직각삼각형일 경우

(1) 직각삼각형일 경우, A=π2\displaystyle A=\frac{\pi}{2}이고 B\displaystyle B는 π4\displaystyle \frac{\pi}{4}이상이므로 B>C\displaystyle B>C이고, AB‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}가 가장 짧은 변이 되어 길이가 3\displaystyle 3이다. 따라서 BC‾=AB‾cos⁡B=3×3=9\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=\frac{\overline{\mathrm{AB}}}{\cos B}=3\times3=9 이다.

+5점 · 이등변삼각형일 경우

(2) 이등변삼각형일 경우, B\displaystyle B는 π3\displaystyle \frac{\pi}{3}이상이므로 A<B=C\displaystyle A<B=C이고, BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}가 가장 짧은 변이 되어 길이가 3\displaystyle 3이다.따라서 (1), (2)에 의해 M={3, 9}\displaystyle M=\{3,\,9\}이다.

논제 2.

+10점 · 사인법칙

삼각형 APC\displaystyle \mathrm{APC}의 외접원의 반지름을 R1\displaystyle R_{1}, 삼각형 BPC\displaystyle \mathrm{BPC}의 외접원의 반지름을 R2\displaystyle R_{2}라고 하자. PC‾\displaystyle \overline{\mathrm{PC}}를 기준으로 사인법칙을 적용하면 2R1=PC‾sin⁡A\displaystyle 2R_{1}=\frac{\overline{\mathrm{PC}}}{\sin A}이고, 2R2=PC‾sin⁡B\displaystyle 2R_{2}=\frac{\overline{\mathrm{PC}}}{\sin B}가 된다. 따라서 S1S2=R12R22=sin⁡2Bsin⁡2A\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{R_{1}^{2}}{R_{2}^{2}}=\frac{\sin^{2}B}{\sin^{2}A}이다.이 때 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 외접원의 반지름을 R\displaystyle R이라 하면 사인법칙에 의해 2R=BC‾sin⁡A=AC‾sin⁡B\displaystyle 2R=\frac{\overline{\mathrm{BC}}}{\sin A}=\frac{\overline{\mathrm{AC}}}{\sin B}에서 S1S2=sin⁡2Bsin⁡2A=AC‾2BC‾2\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{\sin^{2}B}{\sin^{2}A}=\frac{\overline{\mathrm{AC}}^{2}}{\overline{\mathrm{BC}}^{2}}이다. 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}가 직각삼각형일 경우 AB‾2+AC‾2=BC‾2\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}^{2}+\overline{\mathrm{AC}}^{2}=\overline{\mathrm{BC}}^{2}이고, 이등변삼각형이면 cos⁡B=BC‾2AC‾\displaystyle \cos B=\frac{\overline{\mathrm{BC}}}{2\overline{\mathrm{AC}}}이므로 S1S2=AC‾2BC‾2=14cos⁡2B\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{\overline{\mathrm{AC}}^{2}}{\overline{\mathrm{BC}}^{2}}=\frac{1}{4\cos^{2}B}이다.

+5점 · S1S2=18\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{1}{8}인 경우

(1) S1S2=18\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{1}{8}인 경우:직각삼각형이면 AC‾2:AB‾2:BC‾2=1:7:8\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}^{2}:\overline{\mathrm{AB}}^{2}:\overline{\mathrm{BC}}^{2}=1:7:8이다. AC‾<AB‾<BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}<\overline{\mathrm{AB}}<\overline{\mathrm{BC}}이므로 AC‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}=3이고 BC‾=3×22=62\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=3\times2\sqrt{2}=6\sqrt{2}이다. 이등변삼각형일 때에는 S1S2=14cos⁡2B\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{1}{4\cos^{2}B}가 14\displaystyle \frac{1}{4}미만일 수 없으므로 그러한 삼각형은 존재하지 않는다. 따라서 p=62\displaystyle p=6\sqrt{2} 이다.

+5점 · S1S2=38\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{3}{8}인 경우

(2) S1S2=38\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{3}{8}인 경우:직각삼각형이면 AC‾2:AB‾2:BC‾2=3:5:8\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}^{2}:\overline{\mathrm{AB}}^{2}:\overline{\mathrm{BC}}^{2}=3:5:8이다. 마찬가지로 AC‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}=3이고 BC‾=3×263=26\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=3\times\frac{2\sqrt{6}}{3}=2\sqrt{6} 이다. 이등변삼각형일 때에는 S1S2=sin⁡2Bsin⁡2A=38<1\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{\sin^{2}B}{\sin^{2}A}=\frac{3}{8}<1이므로 B<A\displaystyle B<A에서 AB‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=3이고, S1S2=14cos⁡2B=38\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{1}{4\cos^{2}B}=\frac{3}{8}이므로 cos⁡B=63\displaystyle \cos B=\frac{\sqrt{6}}{3}이 되어 BC‾=6cos⁡B=26\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=6\cos B=2\sqrt{6} 이다. 따라서 BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}의 최솟값은 q=26\displaystyle q=2\sqrt{6} 이다.

+5점 · S1S2=58\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{5}{8}인 경우

(3) S1S2=58\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{5}{8}인 경우:직각삼각형이면 AC‾2:AB‾2:BC‾2=5:3:8\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}^{2}:\overline{\mathrm{AB}}^{2}:\overline{\mathrm{BC}}^{2}=5:3:8이다. AC‾>AB‾\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}>\overline{\mathrm{AB}}이므로 AB‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=3이고 BC‾=3×263=26\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=3\times\frac{2\sqrt{6}}{3}=2\sqrt{6} 이다.이등변삼각형일 때에는 S1S2=sin⁡2Bsin⁡2A=58<1\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{\sin^{2}B}{\sin^{2}A}=\frac{5}{8}<1이므로 B<A\displaystyle B<A에서 AB‾=3\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=3이고, S1S2=14cos⁡2B=58\displaystyle \frac{S_{1}}{S_{2}}=\frac{1}{4\cos^{2}B}=\frac{5}{8}이므로 cos⁡B=105\displaystyle \cos B=\frac{\sqrt{10}}{5}이 되어 BC‾=6cos⁡B=6105\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=6\cos B=\frac{6\sqrt{10}}{5} 이다. 26\displaystyle 2\sqrt{6}보다 작으므로, BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}의 최솟값은 r=6105\displaystyle r=\frac{6\sqrt{10}}{5} 이다.따라서 (1), (2), (3)을 종합하면 p=62\displaystyle p=6\sqrt{2}, q=26\displaystyle q=2\sqrt{6}, r=6105\displaystyle r=\frac{6\sqrt{10}}{5} 이다.

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