수리논술, 이게 다다.

자연계열 4번

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문제

[문제 4] (115점)

그림과 같이 길이가 2인 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 지름으로 하는 반원이 있다. 호 AB\displaystyle \mathrm{AB} 위에 두 점 P\displaystyle \mathrm{P}, Q\displaystyle \mathrm{Q}를 ∠PAB=θ\displaystyle \angle\mathrm{PAB}=\theta, ∠QBA=3θ\displaystyle \angle\mathrm{QBA}=3\theta가 되도록 잡고, 두 선분 AP\displaystyle \mathrm{AP}, BQ\displaystyle \mathrm{BQ}의 교점을 R\displaystyle \mathrm{R}이라 하자. 삼각형 PQR\displaystyle \mathrm{PQR}의 내접원의 반지름의 길이를 r(θ)\displaystyle r(\theta)라 할 때, lim⁡θ→0+r(θ)θ\displaystyle \lim_{\theta\to0+}\frac{r(\theta)}{\theta}의 값을 구하여라. (단, 0<θ<π8\displaystyle 0<\theta<\frac{\pi}{8}이다.)

선분 AB를 지름으로 하는 반원. 호 위의 점 Q와 P를 각각 B, A와 이어 만든 선분 BQ와 AP가 반원 안의 점 R에서 만나고, 삼각형 PQR가 회색으로 칠해져 있다. 각 PAB는 θ, 각 QBA는 3θ로 표시되어 있다.
+30점 · 주어진 각과 변의 관계를 이용하여 내접원의 반지름을 구할 수 있는 관계식을 세운다.

원주각의 성질로부터 ∠PAB=∠PQB\displaystyle \angle\mathrm{PAB}=\angle\mathrm{PQB}, ∠QBA=∠QPA\displaystyle \angle\mathrm{QBA}=\angle\mathrm{QPA}이므로 △BAR\displaystyle \triangle\mathrm{BAR}과 △PQR\displaystyle \triangle\mathrm{PQR}은 서로 닮았고, 이때 닮음비는 BR‾:RP‾\displaystyle \overline{\mathrm{BR}}:\overline{\mathrm{RP}}이다.△BAR\displaystyle \triangle\mathrm{BAR}의 내접원의 반지름의 길이를 s(θ)\displaystyle s(\theta)라고 하면, △BAR\displaystyle \triangle\mathrm{BAR}의 넓이는 s(θ)2(AB‾+BR‾+RA‾)\displaystyle \frac{s(\theta)}{2}(\overline{\mathrm{AB}}+\overline{\mathrm{BR}}+\overline{\mathrm{RA}})이고 △PQR\displaystyle \triangle\mathrm{PQR}의 넓이는 r(θ)2(QR‾+RP‾+PQ‾)\displaystyle \frac{r(\theta)}{2}(\overline{\mathrm{QR}}+\overline{\mathrm{RP}}+\overline{\mathrm{PQ}})이므로,s(θ)2(AB‾+BR‾+RA‾) : r(θ)2(QR‾+RP‾+PQ‾)=BR‾2 : RP‾2\displaystyle \frac{s(\theta)}{2}(\overline{\mathrm{AB}}+\overline{\mathrm{BR}}+\overline{\mathrm{RA}})\ :\ \frac{r(\theta)}{2}(\overline{\mathrm{QR}}+\overline{\mathrm{RP}}+\overline{\mathrm{PQ}})=\overline{\mathrm{BR}}^{2}\ :\ \overline{\mathrm{RP}}^{2}이다.즉 r(θ)=s(θ)RP‾BR‾\displaystyle r(\theta)=s(\theta)\frac{\overline{\mathrm{RP}}}{\overline{\mathrm{BR}}}이다.

+40점 · 필요한 변의 길이와 반지름을 올바르게 나타낸다.

△BAR\displaystyle \triangle\mathrm{BAR}에서 사인법칙에 의해 2sin⁡(π−4θ)=RA‾sin⁡3θ=BR‾sin⁡θ\displaystyle \frac{2}{\sin(\pi-4\theta)}=\frac{\overline{\mathrm{RA}}}{\sin3\theta}=\frac{\overline{\mathrm{BR}}}{\sin\theta}이므로 RA‾=2sin⁡3θsin⁡4θ\displaystyle \overline{\mathrm{RA}}=\frac{2\sin3\theta}{\sin4\theta}, BR‾=2sin⁡θsin⁡4θ\displaystyle \overline{\mathrm{BR}}=\frac{2\sin\theta}{\sin4\theta}이다.△BAR\displaystyle \triangle\mathrm{BAR}의 넓이는 s(θ)2(AB‾+BR‾+RA‾)=12AB‾ RA‾sin⁡θ\displaystyle \frac{s(\theta)}{2}(\overline{\mathrm{AB}}+\overline{\mathrm{BR}}+\overline{\mathrm{RA}})=\frac{1}{2}\overline{\mathrm{AB}}\ \overline{\mathrm{RA}}\sin\theta이고 AB‾=2\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}=2이므로 s(θ)=2sin⁡3θsin⁡θsin⁡4θ+sin⁡θ+sin⁡3θ\displaystyle s(\theta)=\frac{2\sin3\theta\sin\theta}{\sin4\theta+\sin\theta+\sin3\theta}이다.그리고 △ABP\displaystyle \triangle\mathrm{ABP}는 ∠APB\displaystyle \angle\mathrm{APB}가 직각인 직각삼각형이므로 AP‾=2cos⁡θ\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}=2\cos\theta이고, RP‾=AP‾−RA‾=2cos⁡θ−2sin⁡3θsin⁡4θ\displaystyle \overline{\mathrm{RP}}=\overline{\mathrm{AP}}-\overline{\mathrm{RA}}=2\cos\theta-\frac{2\sin3\theta}{\sin4\theta}이다.

+25점 · 반지름과 각의 비에 관한 극한식을 올바르게 세운다.

따라서r(θ)=s(θ)RP‾BR‾=2sin⁡3θsin⁡θsin⁡4θ+sin⁡θ+sin⁡3θ⋅(2cos⁡θ−2sin⁡3θsin⁡4θ)⋅sin⁡4θ2sin⁡θ\displaystyle r(\theta)=s(\theta)\frac{\overline{\mathrm{RP}}}{\overline{\mathrm{BR}}}=\frac{2\sin3\theta\sin\theta}{\sin4\theta+\sin\theta+\sin3\theta}\cdot\left(2\cos\theta-\frac{2\sin3\theta}{\sin4\theta}\right)\cdot\frac{\sin4\theta}{2\sin\theta} 이므로

+20점 · 극한값을 올바르게 계산한다.

lim⁡θ→0+r(θ)θ=lim⁡θ→0+(2⋅sin⁡3θθ⋅1sin⁡4θsin⁡θ+1+sin⁡3θsin⁡θ⋅(2cos⁡θ−2sin⁡3θsin⁡4θ)⋅sin⁡4θ2sin⁡θ)=34\displaystyle \lim_{\theta\to0+}\frac{r(\theta)}{\theta}=\lim_{\theta\to0+}\left(2\cdot\frac{\sin3\theta}{\theta}\cdot\frac{1}{\frac{\sin4\theta}{\sin\theta}+1+\frac{\sin3\theta}{\sin\theta}}\cdot\left(2\cos\theta-\frac{2\sin3\theta}{\sin4\theta}\right)\cdot\frac{\sin4\theta}{2\sin\theta}\right)=\frac{3}{4}이다.

다른 타당한 풀이도 해당 단계의 논증과 계산이 옳으면 같은 배점을 인정한다.

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