[문제 2-1]
+10점 · (1), (2)와 같이 A B ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{AB}} AB , B C ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{BC}} BC , C A ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{CA}} CA 와 A Q 1 ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{AQ}_1} AQ 1 의 관계를 알아낸 경우 원 C 1 \displaystyle C_1 C 1 과 두 선분 B C \displaystyle \mathrm{BC} BC , A B \displaystyle \mathrm{AB} AB 의 접점을 각각 P \displaystyle \mathrm{P} P , R \displaystyle \mathrm{R} R 이라고 하자. A Q 1 ‾ = a \displaystyle \overline{\mathrm{AQ}_1}=a AQ 1 = a , B R ‾ = b \displaystyle \overline{\mathrm{BR}}=b BR = b , C P ‾ = c \displaystyle \overline{\mathrm{CP}}=c CP = c 라고 두면 <그림 3>에서와 같이 A R ‾ = a \displaystyle \overline{\mathrm{AR}}=a AR = a , B P ‾ = b \displaystyle \overline{\mathrm{BP}}=b BP = b , C Q 1 ‾ = c \displaystyle \overline{\mathrm{CQ}_1}=c CQ 1 = c 가 되고, 따라서 a + b = A R ‾ + B R ‾ = A B ‾ = 5 + 2 2 , a + c = A Q 1 ‾ + C Q 1 ‾ = A C ‾ = 5 − 2 2 , b + c = B P ‾ + C P ‾ = B C ‾ = 7. ( 1 ) \displaystyle \begin{aligned}a+b&=\overline{\mathrm{AR}}+\overline{\mathrm{BR}}=\overline{\mathrm{AB}}=5+2\sqrt2,\\a+c&=\overline{\mathrm{AQ}_1}+\overline{\mathrm{CQ}_1}=\overline{\mathrm{AC}}=5-2\sqrt2,\\b+c&=\overline{\mathrm{BP}}+\overline{\mathrm{CP}}=\overline{\mathrm{BC}}=7.\end{aligned}\qquad(1) a + b a + c b + c = AR + BR = AB = 5 + 2 2 , = AQ 1 + CQ 1 = AC = 5 − 2 2 , = BP + CP = BC = 7. ( 1 )
<그림 3> (1)에 의하여 a + b + c = 1 2 { ( 5 + 2 2 ) + ( 5 − 2 2 ) + 7 } = 17 2 \displaystyle a+b+c=\frac12\{(5+2\sqrt2)+(5-2\sqrt2)+7\}=\frac{17}2 a + b + c = 2 1 {( 5 + 2 2 ) + ( 5 − 2 2 ) + 7 } = 2 17 이므로, ( 2 ) \displaystyle (2) ( 2 )
+5점 · (3)과 같이 A Q 1 ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{AQ}_1} AQ 1 를 구한 경우 (1), (2)에 의하여 A Q 1 ‾ = a = ( a + b + c ) − ( b + c ) = 17 2 − 7 = 3 2 \displaystyle \overline{\mathrm{AQ}_1}=a=(a+b+c)-(b+c)=\frac{17}2-7=\frac32 AQ 1 = a = ( a + b + c ) − ( b + c ) = 2 17 − 7 = 2 3 . ( 3 ) \displaystyle (3) ( 3 )
+10점 · (4)와 같이 코사인법칙을 이용하여 (5)와 같이 각 B A C \displaystyle \mathrm{BAC} BAC 의 크기가 60 ∘ \displaystyle 60^\circ 6 0 ∘ 임을 알아낸 경우 코사인법칙에 의하여 cos ( ∠ B A C ) = A B ‾ 2 + A C ‾ 2 − B C ‾ 2 2 A B ‾ ⋅ A C ‾ = ( 5 + 2 2 ) 2 + ( 5 − 2 2 ) 2 − 7 2 2 ( 5 + 2 2 ) ( 5 − 2 2 ) = 2 ( 25 + 8 ) − 49 2 ( 25 − 8 ) = 1 2 ( 4 ) \displaystyle \begin{aligned}\cos(\angle\mathrm{BAC})&=\frac{\overline{\mathrm{AB}}^2+\overline{\mathrm{AC}}^2-\overline{\mathrm{BC}}^2}{2\overline{\mathrm{AB}}\cdot\overline{\mathrm{AC}}}=\frac{(5+2\sqrt2)^2+(5-2\sqrt2)^2-7^2}{2(5+2\sqrt2)(5-2\sqrt2)}\\&=\frac{2(25+8)-49}{2(25-8)}=\frac12\end{aligned}\qquad(4) cos ( ∠ BAC ) = 2 AB ⋅ AC AB 2 + AC 2 − BC 2 = 2 ( 5 + 2 2 ) ( 5 − 2 2 ) ( 5 + 2 2 ) 2 + ( 5 − 2 2 ) 2 − 7 2 = 2 ( 25 − 8 ) 2 ( 25 + 8 ) − 49 = 2 1 ( 4 ) 이므로 ∠ B A C = 60 ∘ \displaystyle \angle\mathrm{BAC}=60^\circ ∠ BAC = 6 0 ∘ . ( 5 ) \displaystyle (5) ( 5 )
<그림 4> +5점 · (7)과 같이 원 C 1 \displaystyle C_1 C 1 의 반지름을 구한 경우 원 C 1 \displaystyle C_1 C 1 의 중심을 O 1 \displaystyle \mathrm{O}_1 O 1 라고 두면 <그림 4>에서와 같이 두 직각삼각형 A O 1 Q 1 \displaystyle \mathrm{AO}_1\mathrm{Q}_1 AO 1 Q 1 과 A O 1 R \displaystyle \mathrm{AO}_1\mathrm{R} AO 1 R 은 합동이고, 따라서 (5)에 의하여 ∠ O 1 A Q 1 = ∠ O 1 A R = 30 ∘ \displaystyle \angle\mathrm{O}_1\mathrm{AQ}_1=\angle\mathrm{O}_1\mathrm{AR}=30^\circ ∠ O 1 AQ 1 = ∠ O 1 AR = 3 0 ∘ . ( 6 ) \displaystyle (6) ( 6 ) 원 C 1 \displaystyle C_1 C 1 의 반지름을 r 1 \displaystyle r_1 r 1 이라고 두면, (3), (6)에 의하여 r 1 = O 1 Q 1 ‾ = A Q 1 ‾ ⋅ tan ( ∠ O 1 A Q 1 ) = 3 2 ⋅ 1 3 = 3 2 \displaystyle r_1=\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{Q}_1}=\overline{\mathrm{AQ}_1}\cdot\tan(\angle\mathrm{O}_1\mathrm{AQ}_1)=\frac32\cdot\frac1{\sqrt3}=\frac{\sqrt3}2 r 1 = O 1 Q 1 = AQ 1 ⋅ tan ( ∠ O 1 AQ 1 ) = 2 3 ⋅ 3 1 = 2 3 . ( 7 ) \displaystyle (7) ( 7 )
+5점 · (11)과 같이 구하는 영역의 넓이를 구한 경우 (6)에 의하여 ∠ Q 1 O 1 R = ∠ A O 1 Q 1 + ∠ A O 1 R = ( 90 ∘ − ∠ O 1 A Q 1 ) + ( 90 ∘ − ∠ O 1 A R ) = 120 ∘ \displaystyle \angle\mathrm{Q}_1\mathrm{O}_1\mathrm{R}=\angle\mathrm{AO}_1\mathrm{Q}_1+\angle\mathrm{AO}_1\mathrm{R}=(90^\circ-\angle\mathrm{O}_1\mathrm{AQ}_1)+(90^\circ-\angle\mathrm{O}_1\mathrm{AR})=120^\circ ∠ Q 1 O 1 R = ∠ AO 1 Q 1 + ∠ AO 1 R = ( 9 0 ∘ − ∠ O 1 AQ 1 ) + ( 9 0 ∘ − ∠ O 1 AR ) = 12 0 ∘ 이므로, ( 8 ) \displaystyle (8) ( 8 ) (7), (8)에 의하여 부채꼴 O 1 Q 1 R \displaystyle \mathrm{O}_1\mathrm{Q}_1\mathrm{R} O 1 Q 1 R 의 넓이 = \displaystyle = = 원 C 1 \displaystyle C_1 C 1 의 넓이 ⋅ 120 ∘ 360 ∘ = π ( 3 2 ) 2 ⋅ 1 3 = π 4 \displaystyle \cdot\frac{120^\circ}{360^\circ}=\pi\left(\frac{\sqrt3}2\right)^2\cdot\frac13=\frac\pi4 ⋅ 36 0 ∘ 12 0 ∘ = π ( 2 3 ) 2 ⋅ 3 1 = 4 π . ( 9 ) \displaystyle (9) ( 9 ) (3), (7)에 의하여 사각형 A Q 1 O 1 R \displaystyle \mathrm{AQ}_1\mathrm{O}_1\mathrm{R} AQ 1 O 1 R 의 넓이 = 2 ⋅ \displaystyle =2\cdot = 2 ⋅ 삼각형 A O 1 Q 1 \displaystyle \mathrm{AO}_1\mathrm{Q}_1 AO 1 Q 1 의 넓이 = 2 ⋅ ( 1 2 ⋅ A Q 1 ‾ ⋅ O 1 Q 1 ‾ ) \displaystyle =2\cdot\left(\frac12\cdot\overline{\mathrm{AQ}_1}\cdot\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{Q}_1}\right) = 2 ⋅ ( 2 1 ⋅ AQ 1 ⋅ O 1 Q 1 ) = 2 ⋅ 1 2 ⋅ 3 2 ⋅ 3 2 = 3 3 4 . ( 10 ) \displaystyle =2\cdot\frac12\cdot\frac32\cdot\frac{\sqrt3}2=\frac{3\sqrt3}4.\qquad(10) = 2 ⋅ 2 1 ⋅ 2 3 ⋅ 2 3 = 4 3 3 . ( 10 ) (9), (10)에 의하여 구하는 영역의 넓이는 사각형 A Q 1 O 1 R \displaystyle \mathrm{AQ}_1\mathrm{O}_1\mathrm{R} AQ 1 O 1 R 의 넓이 − \displaystyle - − 부채꼴 O 1 Q 1 R \displaystyle \mathrm{O}_1\mathrm{Q}_1\mathrm{R} O 1 Q 1 R 의 넓이 = 3 3 4 − π 4 \displaystyle =\frac{3\sqrt3}4-\frac\pi4 = 4 3 3 − 4 π . ( 11 ) \displaystyle (11) ( 11 )
참고: (7)을 구하는 다른 방법
+5점 · (7)과 같이 원 C 1 \displaystyle C_1 C 1 의 반지름을 구한 경우 원 C 1 \displaystyle C_1 C 1 이 삼각형 A B C \displaystyle \mathrm{ABC} ABC 의 내접원이므로 <그림 3>에 의하여 △ A B C \displaystyle \triangle\mathrm{ABC} △ ABC 의 넓이 = △ O 1 A B \displaystyle =\triangle\mathrm{O}_1\mathrm{AB} = △ O 1 AB 의 넓이 + △ O 1 B C \displaystyle +\triangle\mathrm{O}_1\mathrm{BC} + △ O 1 BC 의 넓이 + △ O 1 A C \displaystyle +\triangle\mathrm{O}_1\mathrm{AC} + △ O 1 AC 의 넓이= 1 2 r 1 ⋅ A B ‾ + 1 2 r 1 ⋅ B C ‾ + 1 2 r 1 ⋅ A C ‾ = 1 2 r 1 { ( 5 + 2 2 ) + 7 + ( 5 − 2 2 ) } = 17 2 r 1 . \displaystyle \begin{aligned}&=\frac12r_1\cdot\overline{\mathrm{AB}}+\frac12r_1\cdot\overline{\mathrm{BC}}+\frac12r_1\cdot\overline{\mathrm{AC}}\\&=\frac12r_1\{(5+2\sqrt2)+7+(5-2\sqrt2)\}=\frac{17}2r_1.\end{aligned} = 2 1 r 1 ⋅ AB + 2 1 r 1 ⋅ BC + 2 1 r 1 ⋅ AC = 2 1 r 1 {( 5 + 2 2 ) + 7 + ( 5 − 2 2 )} = 2 17 r 1 . 따라서 (5)에 의하여 17 2 r 1 = △ A B C \displaystyle \frac{17}2r_1=\triangle\mathrm{ABC} 2 17 r 1 = △ ABC 의 넓이 = 1 2 A B ‾ ⋅ A C ‾ ⋅ sin ( ∠ B A C ) \displaystyle =\frac12\overline{\mathrm{AB}}\cdot\overline{\mathrm{AC}}\cdot\sin(\angle\mathrm{BAC}) = 2 1 AB ⋅ AC ⋅ sin ( ∠ BAC ) = 1 2 ( 5 + 2 2 ) ( 5 − 2 2 ) ⋅ 3 2 = 17 3 4 \displaystyle =\frac12(5+2\sqrt2)(5-2\sqrt2)\cdot\frac{\sqrt3}2=\frac{17\sqrt3}4 = 2 1 ( 5 + 2 2 ) ( 5 − 2 2 ) ⋅ 2 3 = 4 17 3 이므로 r 1 = O 1 Q 1 ‾ = 3 2 \displaystyle r_1=\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{Q}_1}=\frac{\sqrt3}2 r 1 = O 1 Q 1 = 2 3 .
[문제 2-2]
+10점 · 두 직각삼각형 A O n Q n \displaystyle \mathrm{AO}_n\mathrm{Q}_n AO n Q n , A O n + 1 Q n + 1 \displaystyle \mathrm{AO}_{n+1}\mathrm{Q}_{n+1} AO n + 1 Q n + 1 이 닮은 도형임을 이용하여 (12)와 같은 비례식을 얻은 경우 자연수 n \displaystyle n n 에 대하여 원 C n \displaystyle C_n C n 의 중심을 O n \displaystyle \mathrm{O}_n O n , 반지름을 r n \displaystyle r_n r n 이라고 하자. <그림 5>에서와 같이 두 직각삼각형 A O n Q n \displaystyle \mathrm{AO}_n\mathrm{Q}_n AO n Q n , A O n + 1 Q n + 1 \displaystyle \mathrm{AO}_{n+1}\mathrm{Q}_{n+1} AO n + 1 Q n + 1 이 닮은 도형이므로 r n : r n + 1 = O n Q n ‾ : O n + 1 Q n + 1 ‾ = A O n ‾ : A O n + 1 ‾ = A O n ‾ : A O n ‾ − ( r n + r n + 1 ) \displaystyle r_n:r_{n+1}=\overline{\mathrm{O}_n\mathrm{Q}_n}:\overline{\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{Q}_{n+1}}=\overline{\mathrm{AO}_n}:\overline{\mathrm{AO}_{n+1}}=\overline{\mathrm{AO}_n}:\overline{\mathrm{AO}_n}-(r_n+r_{n+1}) r n : r n + 1 = O n Q n : O n + 1 Q n + 1 = AO n : AO n + 1 = AO n : AO n − ( r n + r n + 1 ) . ( 12 ) \displaystyle (12) ( 12 )
<그림 5> +10점 · ∠ O n A Q n = ∠ O n + 1 A Q n + 1 = 30 ∘ \displaystyle \angle\mathrm{O}_n\mathrm{AQ}_n=\angle\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{AQ}_{n+1}=30^\circ ∠ O n AQ n = ∠ O n + 1 AQ n + 1 = 3 0 ∘ 임을 이용하여 (14)를 얻어낸 경우 (7)에 의하여 ∠ O n A Q n = ∠ O n + 1 A Q n + 1 = ∠ O 1 A Q 1 = 30 ∘ \displaystyle \angle\mathrm{O}_n\mathrm{AQ}_n=\angle\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{AQ}_{n+1}=\angle\mathrm{O}_1\mathrm{AQ}_1=30^\circ ∠ O n AQ n = ∠ O n + 1 AQ n + 1 = ∠ O 1 AQ 1 = 3 0 ∘ 이므로 r n = O n Q n ‾ = A O n ‾ ⋅ sin 30 ∘ = 1 2 A O n ‾ \displaystyle r_n=\overline{\mathrm{O}_n\mathrm{Q}_n}=\overline{\mathrm{AO}_n}\cdot\sin30^\circ=\frac12\overline{\mathrm{AO}_n} r n = O n Q n = AO n ⋅ sin 3 0 ∘ = 2 1 AO n , 즉A O n ‾ = 2 r n . ( 13 ) \displaystyle \overline{\mathrm{AO}_n}=2r_n.\qquad(13) AO n = 2 r n . ( 13 ) (12), (13)에 의하여 r n : r n + 1 = 2 r n : 2 r n − ( r n + r n + 1 ) = 2 r n : r n − r n + 1 \displaystyle r_n:r_{n+1}=2r_n:2r_n-(r_n+r_{n+1})=2r_n:r_n-r_{n+1} r n : r n + 1 = 2 r n : 2 r n − ( r n + r n + 1 ) = 2 r n : r n − r n + 1 이므로, 2 r n r n + 1 = r n ( r n − r n + 1 ) \displaystyle 2r_nr_{n+1}=r_n(r_n-r_{n+1}) 2 r n r n + 1 = r n ( r n − r n + 1 ) , 즉r n + 1 = 1 3 r n \displaystyle r_{n+1}=\frac13r_n r n + 1 = 3 1 r n . ( 14 ) \displaystyle (14) ( 14 )
+5점 · (15)와 같이 r n \displaystyle r_n r n 의 일반항을 구한 경우 (7), (14)에 의하여 수열 r n \displaystyle r_n r n 은 첫째항 r 1 = 3 2 \displaystyle r_1=\frac{\sqrt3}2 r 1 = 2 3 , 공비 1 3 \displaystyle \frac13 3 1 인 등비수열이므로 r n = 3 2 ⋅ ( 1 3 ) n − 1 = 3 2 ⋅ 3 n − 1 , n = 1 , 2 , 3 , … ( 15 ) \displaystyle r_n=\frac{\sqrt3}2\cdot\left(\frac13\right)^{n-1}=\frac{\sqrt3}{2\cdot3^{n-1}},\quad n=1,2,3,\ldots\qquad(15) r n = 2 3 ⋅ ( 3 1 ) n − 1 = 2 ⋅ 3 n − 1 3 , n = 1 , 2 , 3 , … ( 15 )
+5점 · (16)과 같이 S n \displaystyle S_n S n 의 일반항을 구한 경우 (15)에 의하여 S n = π r n 2 = π ⋅ { 3 2 ⋅ 3 n − 1 } 2 = 3 π 4 ⋅ ( 1 9 ) n − 1 , n = 1 , 2 , 3 , … ( 16 ) \displaystyle S_n=\pi r_n^2=\pi\cdot\left\{\frac{\sqrt3}{2\cdot3^{n-1}}\right\}^2=\frac{3\pi}4\cdot\left(\frac19\right)^{n-1},\quad n=1,2,3,\ldots\qquad(16) S n = π r n 2 = π ⋅ { 2 ⋅ 3 n − 1 3 } 2 = 4 3 π ⋅ ( 9 1 ) n − 1 , n = 1 , 2 , 3 , … ( 16 )
+5점 · (17)과 같이 ∑ n = 1 N S n \displaystyle \sum_{n=1}^N S_n n = 1 ∑ N S n 을 구한 경우 (16)에 의하여 수열 S n \displaystyle S_n S n 이 첫째항 3 π 4 \displaystyle \frac{3\pi}4 4 3 π , 공비 1 9 \displaystyle \frac19 9 1 인 등비수열이므로 ∑ n = 1 N S n = 3 π 4 ⋅ 1 − ( 1 9 ) N 1 − 1 9 = 27 π 32 ( 1 − 1 9 N ) , N = 1 , 2 , 3 , … ( 17 ) \displaystyle \sum_{n=1}^N S_n=\frac{3\pi}4\cdot\frac{1-\left(\frac19\right)^N}{1-\frac19}=\frac{27\pi}{32}\left(1-\frac1{9^N}\right),\quad N=1,2,3,\ldots\qquad(17) n = 1 ∑ N S n = 4 3 π ⋅ 1 − 9 1 1 − ( 9 1 ) N = 32 27 π ( 1 − 9 N 1 ) , N = 1 , 2 , 3 , … ( 17 )
[문제 2-3]
+15점 · (18)과 같이 주어진 조건을 로그를 이용하여 변형한 경우 (16)에 의하여 log 4 S n π = log 1 3 2 n − 3 = − ( 2 n − 3 ) log 3 , n = 1 , 2 , 3 , … \displaystyle \log\frac{4S_n}\pi=\log\frac1{3^{2n-3}}=-(2n-3)\log3,\quad n=1,2,3,\ldots log π 4 S n = log 3 2 n − 3 1 = − ( 2 n − 3 ) log 3 , n = 1 , 2 , 3 , … 이므로S n < π 4 ⋅ 10 − 10 ⇔ 4 S n π < 10 − 10 ⇔ log 4 S n π < − 10 ⇔ ( 2 n − 3 ) log 3 > 10 ⇔ n > 1 2 ( 10 log 3 + 3 ) . ( 18 ) \displaystyle \begin{aligned}S_n<\frac\pi4\cdot10^{-10}&\Leftrightarrow\frac{4S_n}\pi<10^{-10}\Leftrightarrow\log\frac{4S_n}\pi<-10\Leftrightarrow(2n-3)\log3>10\\&\Leftrightarrow n>\frac12\left(\frac{10}{\log3}+3\right).\end{aligned}\qquad(18) S n < 4 π ⋅ 1 0 − 10 ⇔ π 4 S n < 1 0 − 10 ⇔ log π 4 S n < − 10 ⇔ ( 2 n − 3 ) log 3 > 10 ⇔ n > 2 1 ( log 3 10 + 3 ) . ( 18 )
+10점 · 0.477 < log 3 < 0.5 \displaystyle 0.477<\log3<0.5 0.477 < log 3 < 0.5 를 이용하여 (19)와 같은 결과를 얻은 경우 1 2 ( 10 0.5 + 3 ) = 11.5 \displaystyle \frac12\left(\frac{10}{0.5}+3\right)=11.5 2 1 ( 0.5 10 + 3 ) = 11.5 , 1 2 ( 10 0.477 + 3 ) = 11.9 … \displaystyle \frac12\left(\frac{10}{0.477}+3\right)=11.9\ldots 2 1 ( 0.477 10 + 3 ) = 11.9 … 이므로, 0.477 < log 3 < 0.5 \displaystyle 0.477<\log3<0.5 0.477 < log 3 < 0.5 를 이용하면11.5 < 1 2 ( 10 log 3 + 3 ) < 11.9 … ( 19 ) \displaystyle 11.5<\frac12\left(\frac{10}{\log3}+3\right)<11.9\ldots\qquad(19) 11.5 < 2 1 ( log 3 10 + 3 ) < 11.9 … ( 19 )
+5점 · 자연수 n \displaystyle n n 의 최솟값을 구한 경우 (18), (19)에 의하여 주어진 조건 S n < π 4 ⋅ 10 − 10 \displaystyle S_n<\frac\pi4\cdot10^{-10} S n < 4 π ⋅ 1 0 − 10 을 만족하는 자연수 n \displaystyle n n 의 최솟값은 12 \displaystyle 12 12 이다.