수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

아래 제시문을 읽고 다음 논제에 답하시오. (20점)

삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 외접원의 반지름의 길이를 R\displaystyle R라고 하면asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R\displaystyle \frac a{\sin A}=\frac b{\sin B}=\frac c{\sin C}=2R

삼각형 ABC의 외접원의 반지름 R과 세 변 a, b, c

[출처 : 수학I 「사인법칙과 코사인법칙」]

〈그림 1〉과 같이 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}에서 ∠BAC\displaystyle \angle\mathrm{BAC}의 이등분선이 변 BC\displaystyle \mathrm{BC}와 만나는 점을 P\displaystyle \mathrm P라고 하고, 점 P\displaystyle \mathrm P를 지나고 직선 AB\displaystyle \mathrm{AB}에 평행한 직선이 변 AC\displaystyle \mathrm{AC}와 만나는 점을 Q\displaystyle \mathrm Q라고 하자. 또한, ∠PQC\displaystyle \angle\mathrm{PQC}의 이등분선이 변 BC\displaystyle \mathrm{BC}와 만나는 점을 R\displaystyle \mathrm R라고 하고, 점 R\displaystyle \mathrm R를 지나고 직선 PQ\displaystyle \mathrm{PQ}에 평행한 직선이 변 AC\displaystyle \mathrm{AC}와 만나는 점을 S\displaystyle \mathrm S라고 하자.

삼각형 ABC 안에 각의 이등분선과 평행선으로 만든 P, Q, R, S. 그림 1.

이때 다음 문항에 답하시오.

(1) 사인법칙을 이용하여 AB‾:AC‾=BP‾:PC‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}:\overline{\mathrm{AC}}=\overline{\mathrm{BP}}:\overline{\mathrm{PC}}가 성립함을 보이시오.

(2) AB‾=4\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=4, BC‾=5\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}=5이고 삼각형 ABP\displaystyle \mathrm{ABP}와 삼각형 QRS\displaystyle \mathrm{QRS}의 넓이의 비가 27:1\displaystyle 27:1일 때, 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이를 구하시오.

해설강의 준비중

(1) 〈그림 1〉에서θ1=∠BAP=∠PAC,θ2=∠BPA\displaystyle \theta_1=\angle\mathrm{BAP}=\angle\mathrm{PAC},\quad\theta_2=\angle\mathrm{BPA}라 하자. 두 삼각형 ABP\displaystyle \mathrm{ABP}와 APC\displaystyle \mathrm{APC}에 사인법칙을 적용하면 다음 두 식AB‾sin⁡θ2=BP‾sin⁡θ1\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{AB}}}{\sin\theta_2}=\frac{\overline{\mathrm{BP}}}{\sin\theta_1} …… ㉠AC‾sin⁡(π−θ2)=PC‾sin⁡θ1\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{AC}}}{\sin(\pi-\theta_2)}=\frac{\overline{\mathrm{PC}}}{\sin\theta_1} …… ㉡을 얻는다. 식 ㉡에서 sin⁡(π−θ2)=sin⁡θ2\displaystyle \sin(\pi-\theta_2)=\sin\theta_2이므로AC‾sin⁡θ2=PC‾sin⁡θ1\displaystyle \frac{\overline{\mathrm{AC}}}{\sin\theta_2}=\frac{\overline{\mathrm{PC}}}{\sin\theta_1} …… ㉢식 ㉠과 ㉢으로부터 다음 관계sin⁡θ1sin⁡θ2=BP‾AB‾=PC‾AC‾\displaystyle \frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}=\frac{\overline{\mathrm{BP}}}{\overline{\mathrm{AB}}}=\frac{\overline{\mathrm{PC}}}{\overline{\mathrm{AC}}} …… ㉣를 얻을 수 있고 식 ㉣로부터 비례식AB‾:AC‾=BP‾:PC‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}:\overline{\mathrm{AC}}=\overline{\mathrm{BP}}:\overline{\mathrm{PC}} …… ㉤이 성립함을 알 수 있다.

(2) AC‾=b\displaystyle \overline{\mathrm{AC}}=b로 두면 AB‾=4\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=4이므로 식 ㉤으로부터 다음 식이 성립한다.BP‾:PC‾=AB‾:AC‾=4:b\displaystyle \overline{\mathrm{BP}}:\overline{\mathrm{PC}}=\overline{\mathrm{AB}}:\overline{\mathrm{AC}}=4:b …… ㉥두 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}와 QPC\displaystyle \mathrm{QPC}는 닮은꼴이고 닮음비는 BC‾\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}와 PC‾\displaystyle \overline{\mathrm{PC}}의 비와 같으며 식 ㉥으로부터BC‾:PC‾=4+b:b\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}:\overline{\mathrm{PC}}=4+b:b이다. 따라서 두 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}와 QPC\displaystyle \mathrm{QPC}의 닮음비는 4+bb:1\displaystyle \frac{4+b}b:1이다.AB‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}와 QP‾\displaystyle \overline{\mathrm{QP}}가 평행하므로 두 삼각형 ABP\displaystyle \mathrm{ABP}, APQ\displaystyle \mathrm{APQ}의 넓이의 비는 AB‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}와 QP‾\displaystyle \overline{\mathrm{QP}}의 비와 같고 이것은 위에서 구한 두 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}와 QPC\displaystyle \mathrm{QPC}의 닮음비와 같다. 즉, 두 삼각형 ABP\displaystyle \mathrm{ABP}와 APQ\displaystyle \mathrm{APQ}의 넓이의 비는 4+bb:1\displaystyle \frac{4+b}b:1이다.또 AB‾\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}와 QP‾\displaystyle \overline{\mathrm{QP}}가 평행하고, AP‾\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}와 QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}}는 각각 ∠BAC\displaystyle \angle\mathrm{BAC}와 ∠PQC\displaystyle \angle\mathrm{PQC}의 이등분선이므로 AP‾\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}와 QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}}는 평행하다. AP‾\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}와 QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}}가 평행하면 앞에서와 마찬가지로 두 삼각형 APQ\displaystyle \mathrm{APQ}와 QPR\displaystyle \mathrm{QPR}의 넓이의 비는 AP‾\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}와 QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}}의 비와 같다. 두 삼각형 APC\displaystyle \mathrm{APC}와 QRC\displaystyle \mathrm{QRC}는 닮은꼴이고 닮음비는 앞에서와 마찬가지로 4+bb:1\displaystyle \frac{4+b}b:1이므로 두 삼각형 APQ\displaystyle \mathrm{APQ}와 QPR\displaystyle \mathrm{QPR}의 넓이의 비는 4+bb:1\displaystyle \frac{4+b}b:1이다. 앞에서와 같은 방법으로 두 삼각형 QPR\displaystyle \mathrm{QPR}와 QRS\displaystyle \mathrm{QRS}의 넓이의 비는 QP‾\displaystyle \overline{\mathrm{QP}}와 SR‾\displaystyle \overline{\mathrm{SR}}의 비와 같고 4+bb:1\displaystyle \frac{4+b}b:1이다.따라서 두 삼각형 ABP\displaystyle \mathrm{ABP}와 QRS\displaystyle \mathrm{QRS}의 넓이의 비는 (4+bb)3:1\displaystyle \left(\frac{4+b}b\right)^3:1이다. 그런데 두 삼각형 넓이의 비가 27:1\displaystyle 27:1이므로,(4+bb)3=27,b=2\displaystyle \left(\frac{4+b}b\right)^3=27,\quad b=2∠B=θ\displaystyle \angle B=\theta로 두고 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}에 코사인법칙을 적용하면cos⁡θ=42+52−222×4×5=3740\displaystyle \cos\theta=\frac{4^2+5^2-2^2}{2\times4\times5}=\frac{37}{40}0<θ<π\displaystyle 0<\theta<\pi로부터 sin⁡θ>0\displaystyle \sin\theta>0이므로sin⁡θ=1−cos⁡2θ=23140\displaystyle \sin\theta=\sqrt{1-\cos^2\theta}=\frac{\sqrt{231}}{40}따라서 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이는12×AB‾×BC‾×sin⁡θ=4×5223140=2314\displaystyle \frac12\times\overline{\mathrm{AB}}\times\overline{\mathrm{BC}}\times\sin\theta=\frac{4\times5}2\frac{\sqrt{231}}{40}=\frac{\sqrt{231}}4이다.

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