수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

다음 그림과 같이 반경이 1\displaystyle 1인 반원 위에 AB1‾=B1B2‾=B2B3‾=B3B4‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}_1}=\overline{\mathrm{B}_1\mathrm{B}_2}=\overline{\mathrm{B}_2\mathrm{B}_3}=\overline{\mathrm{B}_3\mathrm{B}_4}를 만족시키는 4\displaystyle 4개의 점 B1, B2, B3, B4\displaystyle \mathrm{B}_1,\ \mathrm{B}_2,\ \mathrm{B}_3,\ \mathrm{B}_4가 순서대로 놓여있다.

반원 위의 점 A, B₁, B₂, B₃, B₄

3-1) t\displaystyle t의 범위가 실수 전체일 때 (∣AB2→−tAB1→∣+∣AB3→−tAB1→∣)2\displaystyle \left(\left|\overrightarrow{\mathrm{AB}_2}-t\overrightarrow{\mathrm{AB}_1}\right|+\left|\overrightarrow{\mathrm{AB}_3}-t\overrightarrow{\mathrm{AB}_1}\right|\right)^2의 최솟값을 구하고, 그 근거를 설명하시오.

해설강의 준비중
+15점 · 주어진 문제를 적절히 해석하여 (예로, 주어진 문제는 “평면 위에 두 점과 한 직선이 있을 때, 한 점에서 직선을 거쳐 다른 한점으로 가는 최단 거리를 물어보는 문제”로 해석할 수 있음) 답을 구하고, 그 과정이 논리적이면 좋은 점수를 부여함

3-1) 점 A를 지나고 벡터 AB1→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}_1}에 평행인 직선을 L\displaystyle L이라 하고, 벡터 AB3→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}_3}를 직선 L\displaystyle L에 대하여 대칭 이동한 벡터를 AB3′→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}_3^{\prime}}이라 하면 (∣AB2→−tAB1→∣+∣AB3→−tAB1→∣)2\displaystyle \left(\left|\overrightarrow{\mathrm{AB}_2}-t\overrightarrow{\mathrm{AB}_1}\right|+\left|\overrightarrow{\mathrm{AB}_3}-t\overrightarrow{\mathrm{AB}_1}\right|\right)^2의 최솟값은 ∣AB2→−AB3′→∣2\displaystyle \left|\overrightarrow{\mathrm{AB}_2}-\overrightarrow{\mathrm{AB}_3^{\prime}}\right|^2이다.

직선 L에 대해 대칭이동한 벡터 AB₃′

두 벡터 AB1→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}_1}와 AB2→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}_2}가 이루는 각은 π8\displaystyle \frac\pi8, 두 벡터 AB2→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}_2}와 AB3→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{AB}_3}가 이루는 각은 π8\displaystyle \frac\pi8이다. 이때∣AB2→∣=2sin⁡π4=2cos⁡π4=2,∣AB3→∣=∣AB3′→∣=2sin⁡3π8=2cos⁡π8\displaystyle |\overrightarrow{\mathrm{AB}_2}|=2\sin\frac\pi4=2\cos\frac\pi4=\sqrt2,\quad|\overrightarrow{\mathrm{AB}_3}|=|\overrightarrow{\mathrm{AB}_3^{\prime}}|=2\sin\frac{3\pi}8=2\cos\frac\pi8이고, 반각공식으로부터(sin⁡π8)2=1−cos⁡π42=12−122,(cos⁡π8)2=1+cos⁡π42=12+122\displaystyle \left(\sin\frac\pi8\right)^2=\frac{1-\cos\frac\pi4}2=\frac12-\frac1{2\sqrt2},\quad\left(\cos\frac\pi8\right)^2=\frac{1+\cos\frac\pi4}2=\frac12+\frac1{2\sqrt2}를 얻는다. 따라서∣AB2→−AB3′→∣2=∣AB2→∣2+∣AB3′→∣2−2∣AB2→∣∣AB3′→∣cos⁡3π8=2+(2+2)−2(2)(2sin⁡3π8)cos⁡3π8=2+(2+2)−22(sin⁡3π4)=2+2\displaystyle \begin{aligned}|\overrightarrow{\mathrm{AB}_2}-\overrightarrow{\mathrm{AB}_3^{\prime}}|^2&=|\overrightarrow{\mathrm{AB}_2}|^2+|\overrightarrow{\mathrm{AB}_3^{\prime}}|^2-2|\overrightarrow{\mathrm{AB}_2}||\overrightarrow{\mathrm{AB}_3^{\prime}}|\cos\frac{3\pi}8\\&=2+(2+\sqrt2)-2(\sqrt2)\left(2\sin\frac{3\pi}8\right)\cos\frac{3\pi}8\\&=2+(2+\sqrt2)-2\sqrt2\left(\sin\frac{3\pi}4\right)\\&=2+\sqrt2\end{aligned}이다.

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