+5점[문제 1-1]

지구 (E)와 달 (M)의 거리를 L이라고 하고 혜성의 위치를 C라고 한다. 그림과 같이 선분 MC에 대해 삼각형 EMC에 대칭인 삼각형 MAC를 그린 후, ∠CEM을 이등분하도록 보조선 EB 그린다.
+2점혜성과 지구의 거리를 X라고 한다.
∠EAB=∠ABE=72∘이므로 삼각형 EAB는 이등변삼각형이다. 따라서,
EA=EB=2L
+2점또 ∠CEB=∠BCE=36∘이므로 삼각형 EBC는 이등변삼각형이다. 따라서,
EB=BC=2L
+3점삼각형 EAC와 삼각형 EAB 닮은꼴이므로 EA:AC=AB:EA이므로
2L:X=(X−2L):2L
+3점따라서,
X2−2LX−4L2=0
X=22L±4L2+4⋅4L2=22L±20L2=L(1±5)
X>0이므로,
X=L(1+5)
따라서, 지구-달, 지구-혜성의 거리비는
거리비=EMEC=LL(1+5)=1+5
+2점[문제 1-2]

제시문 나)의 프톨레마이오스의 정리에 의해 AB×CD+BC×DA=AC×BD가 성립한다. 또 원에 내접하는 삼각형의 성질에 의해, ∠BOD=2α,∠COD=2β를 만족한다.

그림 1-2에서 반지름 R인 원에 내접하는 삼각형의 각을 α,β,γ라고 하고 마주보는 변의 길이를 각각 a,b,c라고 하면 다음이 성립한다.
sinαa=sinβb=sinγc=2R (1-1)
또는 그림 1-3에서 선분 AB의 길이는 아래와 같이 계산할 수 있다.
AB=2Rsin(2θ) (1-2)

식 (1-1) 또는 (1-2)를 그림 1-1의 삼각형 ABC와 ACD에 각각 적용하면,
sin(α−β)BC=2R,sinβCD=2R
따라서, 각 변의 길이를 각도 α,β와 원의 반지름 R로 나타낼 수 있다.
AB=2Rsin(21(180∘−2α))=2Rsin(90∘−α)
+2점BC=2Rsin(21(2α−2β))=2Rsin(α−β)
(BC는 코사인법칙으로도 구할 수 있음)
+2점CD=2Rsin(21(2β))=2Rsin(β)
+2점AD=2R
+2점AC=2Rsin(21(180∘−2β))=2Rsin(90∘−β)
+2점BD=2Rsin(21(2α))=2Rsin(α)
+8점프톨레마이오스의 정리에 대입하면,
2Rsin(90∘−α)×2Rsinβ+2Rsin(α−β)×2R=2Rsin(90∘−β)×2Rsinα
정리하면
sin(α−β)=sinαcosβ−cosαsinβ
+5점[문제 1-3]
[문제 1-2]에서 BC=2Rsin(α−β)=2Rsin(15∘)
삼각함수의 반각 공식을 이용하여 sin(15∘)를 구한다.
sin22θ=21−cosθ
2θ=15∘, 즉 θ=30∘이므로,
sin215∘=21−cos30∘=21−3/2=42−3
∴sin15∘=42−3=84−23=223−1=46−2
따라서, BC=2sin(15∘)=26−2