수리논술, 이게 다다.

자연계열 II 1번

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문제

아래 논제에 답하시오. (20점)

다음 조건을 모두 만족시키는 삼각형의 넓이의 최댓값을 구하시오.

(i) 실수 m\displaystyle m에 대하여 두 직선 x+2my=0\displaystyle x+2my=0과 2mx−y−2m=0\displaystyle 2mx-y-2m=0의 교점을 Pm\displaystyle \mathrm P_m이라고 할 때, 서로 다른 세 실수 m1\displaystyle m_1, m2\displaystyle m_2, m3\displaystyle m_3에 대하여 Pm1\displaystyle \mathrm P_{m_1}, Pm2\displaystyle \mathrm P_{m_2}, Pm3\displaystyle \mathrm P_{m_3}을 꼭짓점으로 갖는다.(ii) 한 각의 크기는 π6\displaystyle \frac\pi6이다.

해설강의 준비중
+20점 · 주어진 조건을 만족시키는 삼각형의 외접원과 한 변의 길이를 구한 후 삼각형의 넓이가 최대가 되려면 이등변삼각형이 됨을 이용하여 넓이를 계산할 수 있다.

직선 ℓ:x+2my=0\displaystyle \ell:x+2my=0과 ℓ′:2mx−y−2m=0\displaystyle \ell^{\prime}:2mx-y-2m=0은 m\displaystyle m과 관계없이 각각 점 (0,0)\displaystyle (0,0)과 점 (1,0)\displaystyle (1,0)을 지나는 직선이다. m≠0\displaystyle m\ne0인 경우 직선 ℓ\displaystyle \ell과 ℓ′\displaystyle \ell^{\prime}의 기울기는 각각 −12m\displaystyle -\frac1{2m}과 2m\displaystyle 2m이므로 두 직선은 항상 수직으로 만난다. m=0\displaystyle m=0인 경우 직선 ℓ\displaystyle \ell과 ℓ′\displaystyle \ell^{\prime}은 각각 y\displaystyle y축, x\displaystyle x축이므로 역시 수직으로 만난다. 따라서 실수 m\displaystyle m에 대하여 두 직선 ℓ\displaystyle \ell과 ℓ′\displaystyle \ell^{\prime}의 교점 Pm\displaystyle \mathrm P_m은 점 (0,0)\displaystyle (0,0)과 점 (1,0)\displaystyle (1,0)을 이은 선분을 지름으로 하는 원 위에 있게 된다.서로 다른 세 실수 m1\displaystyle m_1, m2\displaystyle m_2, m3\displaystyle m_3으로부터 얻어진 세 점 Pm1\displaystyle \mathrm P_{m_1}, Pm2\displaystyle \mathrm P_{m_2}, Pm3\displaystyle \mathrm P_{m_3}을 각각 A\displaystyle \mathrm A, B\displaystyle \mathrm B, C\displaystyle \mathrm C로 나타내자. 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 외접원은 점 (0,0)\displaystyle (0,0)과 점 (1,0)\displaystyle (1,0)을 이은 선분을 지름으로 하는 원이므로 사인법칙을 이용하면asin⁡A=2R=1\displaystyle \frac a{\sin A}=2R=1A=π6\displaystyle A=\frac\pi6이면 a=sin⁡A=12\displaystyle a=\sin A=\frac12이다. 그러므로 조건을 만족시키는 삼각형은 반지름 12\displaystyle \frac12인 원에 내접하고 변 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 길이 a\displaystyle a가 12\displaystyle \frac12인 삼각형이다. 이러한 삼각형의 넓이가 최대가 되기 위해서는 변 BC\displaystyle \mathrm{BC}로부터 거리가 최대가 되는 원 위의 점이 삼각형의 나머지 한 점 A\displaystyle \mathrm A가 되어야 하고, 이때 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}는 이등변삼각형이다. 밑변 BC\displaystyle \mathrm{BC}의 길이가 12\displaystyle \frac12이고 각 A\displaystyle A가 π6\displaystyle \frac\pi6인 이등변삼각형의 높이는 tan⁡5π124\displaystyle \frac{\tan\frac{5\pi}{12}}4이다.삼각함수의 덧셈정리에 의하여tan⁡5π12=tan⁡(π6+π4)=tan⁡π6+tan⁡π41−tan⁡π6tan⁡π4=2+3\displaystyle \tan\frac{5\pi}{12}=\tan\left(\frac\pi6+\frac\pi4\right)=\frac{\tan\frac\pi6+\tan\frac\pi4}{1-\tan\frac\pi6\tan\frac\pi4}=2+\sqrt3따라서 조건을 만족시키는 삼각형의 넓이의 최댓값은 2+316\displaystyle \frac{2+\sqrt3}{16}이다.

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