수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 4번

문제

[문제 4] (총 100점)

삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}에서 a=BC\displaystyle a=\overline{\mathrm{BC}}, b=AC\displaystyle b=\overline{\mathrm{AC}}, c=AB\displaystyle c=\overline{\mathrm{AB}}이고 abc\displaystyle a\le b\le c이다. 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 내부 또는 경계에 있는 점 P\displaystyle \mathrm P에 대하여,PAPB+PBPC+PCPA\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PA}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PB}}+\overrightarrow{\mathrm{PB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PC}}+\overrightarrow{\mathrm{PC}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PA}}의 최댓값과 최솟값을 a\displaystyle a, b\displaystyle b, c\displaystyle c에 관한 식으로 나타내어라.

해설강의 준비중

좌표평면에서 A(0,0)\displaystyle \mathrm A(0,0), B(c,0)\displaystyle \mathrm B(c,0), C(α,β)\displaystyle \mathrm C(\alpha,\beta), P(x,y)\displaystyle \mathrm P(x,y)라 하자. 이 때 PA=(x,y)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PA}}=(-x,-y), PB=(cx,y)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PB}}=(c-x,-y), PC=(αx,βy)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{PC}}=(\alpha-x,\beta-y)이다.

Q=PAPB+PBPC+PCPA\displaystyle Q=\overrightarrow{\mathrm{PA}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PB}}+\overrightarrow{\mathrm{PB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PC}}+\overrightarrow{\mathrm{PC}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PA}}로 놓으면Q=(x)(cx)+(y)(y)+(cx)(αx)+(y)(βy)+(αx)(x)+(βy)(y)=3x22(c+α)x+3y22βy+cα=3(xc+α3)2+3(yβ3)2+cα(c+α)2+β23\displaystyle \begin{aligned}Q&=(-x)(c-x)+(-y)(-y)+(c-x)(\alpha-x)+(-y)(\beta-y)+(\alpha-x)(-x)+(\beta-y)(-y)\\&=3x^2-2(c+\alpha)x+3y^2-2\beta y+c\alpha\\&=3\left(x-\frac{c+\alpha}3\right)^2+3\left(y-\frac\beta3\right)^2+c\alpha-\frac{(c+\alpha)^2+\beta^2}3\end{aligned}이다. 점 G(c+α3,β3)\displaystyle \mathrm G\left(\frac{c+\alpha}3,\frac\beta3\right)는 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 무게중심이므로 삼각형 내부의 점이다.

따라서 Q\displaystyle Q의 최솟값은 P=G\displaystyle \mathrm P=\mathrm G일 때 cα(c+α)2+β23\displaystyle c\alpha-\frac{(c+\alpha)^2+\beta^2}3이다.

또한 b2=α2+β2\displaystyle b^2=\alpha^2+\beta^2, a2=(αc)2+β2=α2+β22cα+c2\displaystyle a^2=(\alpha-c)^2+\beta^2=\alpha^2+\beta^2-2c\alpha+c^2이므로 α2+β2=b2\displaystyle \alpha^2+\beta^2=b^22cα=b2+c2a2\displaystyle 2c\alpha=b^2+c^2-a^2이다.

따라서 Q\displaystyle Q의 최솟값은cα(c+α)2+β23=cαc2(α2+β2)3=b2+c2a22c2b23=a2+b2+c26\displaystyle c \alpha - \frac{{( c + \alpha )^{2} + \beta^{2}}}{3} = \frac{{c \alpha - c^{2} - ( \alpha^{2} + \beta^{2} )}}{3} =\frac{{\frac{{b^{2} + c^{2} - a^{2}}}{2} - c^{2} - b^{2}}}{3} = - \frac{{a^{2} + b^{2} + c^{2}}}{6}이다.

GP2=(xc+α3)2+(yβ3)2\displaystyle \overline{\mathrm{GP}}^2=\left(x-\frac{c+\alpha}3\right)^2+\left(y-\frac\beta3\right)^2이므로 점 P\displaystyle \mathrm P가 무게중심에서 가장 멀리 떨어진 꼭짓점일 때 Q\displaystyle Q가 최댓값을 가진다.

P=A\displaystyle \mathrm P=\mathrm A일 때 Q=bccosA=b2+c2a22\displaystyle Q=bc\cos A=\frac{b^2+c^2-a^2}2,

P=B\displaystyle \mathrm P=\mathrm B일 때 Q=cacosB=c2+a2b22\displaystyle Q=ca\cos B=\frac{c^2+a^2-b^2}2,

P=C\displaystyle \mathrm P=\mathrm C일 때 Q=abcosC=a2+b2c22\displaystyle Q=ab\cos C=\frac{a^2+b^2-c^2}2이다.

그런데 abc\displaystyle a\le b\le c이므로 Q\displaystyle Q의 최댓값은 P=A\displaystyle \mathrm P=\mathrm A일 때 b2+c2a22\displaystyle \frac{b^2+c^2-a^2}2이다.

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