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의예과 2번

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(문제 2-1) 우선 S1+S2\displaystyle S_{1}+S_{2}의 넓이와 S2\displaystyle S_{2}의 넓이를 구한 후 두 값의 차를 이용하여 S1\displaystyle S_{1}의 넓이를 구한다. 오른쪽 그림과 같이 보조선을 사용한다.

정삼각형 ABC에 두 원과 접점 P₁, P₂, Q₁, Q₂, D, 수선의 발 H와 각 θ를 표시한 보조선 그림

< 1 > S1+S2\displaystyle S_{1}+S_{2}의 넓이를 구하자.영역 S1+S2\displaystyle S_{1}+S_{2}는 정삼각형 ABC에서 삼각형 AO1P1\displaystyle \mathrm{AO}_{1}\mathrm{P}_{1}, 삼각형 BO2P2\displaystyle \mathrm{BO}_{2}\mathrm{P}_{2}, 부채꼴 O1P1Q1\displaystyle \mathrm{O}_{1}\mathrm{P}_{1}\mathrm{Q}_{1}, 부채꼴 O2P2Q2\displaystyle \mathrm{O}_{2}\mathrm{P}_{2}\mathrm{Q}_{2}를 뺀 영역이다. 삼각형 O1BO2\displaystyle \mathrm{O}_{1}\mathrm{BO}_{2}에서 O1B=x\displaystyle \overline{\mathrm{O}_{1}\mathrm{B}}=x라고 하면, O1O2=4\displaystyle \overline{\mathrm{O}_{1}\mathrm{O}_{2}}=4, O2B=2\displaystyle \overline{\mathrm{O}_{2}\mathrm{B}}=2, B=π3\displaystyle \angle B=\frac{\pi}{3}이므로 코사인법칙에 의해서 42=x2+224xcosπ3\displaystyle 4^{2}=x^{2}+2^{2}-4x\cos\frac{\pi}{3}이다. 따라서 0<x=13+1\displaystyle 0<x=\sqrt{13}+1이고, 정삼각형 ABC의 한 변의 길이는 13+3\displaystyle \sqrt{13}+3이 된다. 삼각형 AO1P1\displaystyle \mathrm{AO}_{1}\mathrm{P}_{1}과 삼각형 BO2P2\displaystyle \mathrm{BO}_{2}\mathrm{P}_{2}는 모두 한 변의 길이가 2인 정삼각형이고, 부채꼴 O1P1Q1\displaystyle \mathrm{O}_{1}\mathrm{P}_{1}\mathrm{Q}_{1}과 부채꼴 O2P2Q2\displaystyle \mathrm{O}_{2}\mathrm{P}_{2}\mathrm{Q}_{2}는 모두 원주각이 2π3\displaystyle \frac{2\pi}{3}이다. 그러므로 S1+S2\displaystyle S_{1}+S_{2}의 넓이는 다음과 같다.Correction. 여기서 부채꼴의 ‘원주각’은 ‘중심각’의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.(13+3)2342×(2234)2×(12×22×2π3)=(22+613)34238π3=732+33928π3\displaystyle \begin{aligned} & \frac{(\sqrt{13}+3)^{2}\sqrt{3}}{4}-2\times\left(\frac{2^{2}\sqrt{3}}{4}\right)-2\times\left(\frac{1}{2}\times2^{2}\times\frac{2\pi}{3}\right) \\ &= \frac{(22+6\sqrt{13})\sqrt{3}}{4}-2\sqrt{3}-\frac{8\pi}{3}=\frac{7\sqrt{3}}{2}+\frac{3\sqrt{39}}{2}-\frac{8\pi}{3} \end{aligned}

< 2 > S2\displaystyle S_{2}의 넓이를 구하자.영역 S2\displaystyle S_{2}는 직각삼각형 HO1O2\displaystyle \mathrm{HO}_{1}\mathrm{O}_{2}에서 삼각형 HO2P2\displaystyle \mathrm{HO}_{2}\mathrm{P}_{2}, 부채꼴 O1Q1D\displaystyle \mathrm{O}_{1}\mathrm{Q}_{1}\mathrm{D}, 부채꼴 O2P2D\displaystyle \mathrm{O}_{2}\mathrm{P}_{2}\mathrm{D}를 뺀 영역이다. 직각삼각형 HO1O2\displaystyle \mathrm{HO}_{1}\mathrm{O}_{2}의 밑변 O1BHB=x1=13\displaystyle \overline{\mathrm{O}_{1}\mathrm{B}}-\overline{\mathrm{HB}}=x-1=\sqrt{13}이고 높이 O2H=3\displaystyle \overline{\mathrm{O}_{2}\mathrm{H}}=\sqrt{3}이다. 삼각형 HO2P2\displaystyle \mathrm{HO}_{2}\mathrm{P}_{2}의 밑변 HP2=1\displaystyle \overline{\mathrm{HP}_{2}}=1이고 높이 O2H=3\displaystyle \overline{\mathrm{O}_{2}\mathrm{H}}=\sqrt{3}이다. 부채꼴 O1Q1D\displaystyle \mathrm{O}_{1}\mathrm{Q}_{1}\mathrm{D}의 원주각은 θ\displaystyle \theta이고, 부채꼴 O2P2D\displaystyle \mathrm{O}_{2}\mathrm{P}_{2}\mathrm{D}의 원주각은 π3θ\displaystyle \frac{\pi}{3}-\theta이다. 그러므로 S2\displaystyle S_{2}의 넓이는 다음과 같다.Correction. 여기서 부채꼴의 ‘원주각’은 ‘중심각’의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.12×13×312×1×312×22×θ12×22×(π3θ)=392322π3\displaystyle \begin{aligned} & \frac{1}{2}\times\sqrt{13}\times\sqrt{3}-\frac{1}{2}\times1\times\sqrt{3}-\frac{1}{2}\times2^{2}\times\theta-\frac{1}{2}\times2^{2}\times\left(\frac{\pi}{3}-\theta\right) \\ &= \frac{\sqrt{39}}{2}-\frac{\sqrt{3}}{2}-\frac{2\pi}{3} \end{aligned}

< 3 > S1\displaystyle S_{1}의 넓이를 구하자.S1+S2\displaystyle S_{1}+S_{2}의 넓이는 732+33928π3\displaystyle \frac{7\sqrt{3}}{2}+\frac{3\sqrt{39}}{2}-\frac{8\pi}{3}이고 S2\displaystyle S_{2}의 넓이는 392322π3\displaystyle \frac{\sqrt{39}}{2}-\frac{\sqrt{3}}{2}-\frac{2\pi}{3}이므로 S1\displaystyle S_{1}의 넓이는 다음과 같다.(732+33928π3)(392322π3)=43+392π\displaystyle \left(\frac{7\sqrt{3}}{2}+\frac{3\sqrt{39}}{2}-\frac{8\pi}{3}\right)-\left(\frac{\sqrt{39}}{2}-\frac{\sqrt{3}}{2}-\frac{2\pi}{3}\right)=4\sqrt{3}+\sqrt{39}-2\pi

(문제 2-2) 살수반경의 최솟값 r\displaystyle rCP1\displaystyle \overline{\mathrm{CP}_{1}}CD\displaystyle \overline{\mathrm{CD}} 중 큰 값이다. CP12\displaystyle \overline{\mathrm{CP}_{1}}^{2}CD2\displaystyle \overline{\mathrm{CD}}^{2}을 각각 계산하고 이 두 값 중 큰 값을 찾자. 오른쪽 그림과 같이 보조선을 사용한다.

정삼각형 ABC에 두 원과 접점 P₁, P₂, Q₁, Q₂, D, 수선의 발 H와 각 θ를 표시한 보조선 그림

< 1 > CP12\displaystyle \overline{\mathrm{CP}_{1}}^{2}을 구하자.CP1\displaystyle \overline{\mathrm{CP}_{1}}은 정삼각형 ABC의 한 변의 길이에서 원 O1\displaystyle \mathrm{O}_{1}의 반지름을 뺀 값과 같다. 즉, CP12=(13+1)2=14+213\displaystyle \overline{\mathrm{CP}_{1}}^{2}=(\sqrt{13}+1)^{2}=14+2\sqrt{13}이다.

< 2 > CD2\displaystyle \overline{\mathrm{CD}}^{2}을 구하자.삼각형 O2CD\displaystyle \mathrm{O}_{2}\mathrm{CD}에 코사인법칙을 적용하자. O2C=13+1\displaystyle \overline{\mathrm{O}_{2}\mathrm{C}}=\sqrt{13}+1, O2D=2\displaystyle \overline{\mathrm{O}_{2}\mathrm{D}}=2, CO2D=θ+π3\displaystyle \angle CO_{2}D=\theta+\frac{\pi}{3}이므로CD2=(13+1)2+222×(13+1)×2×cos(θ+π3)=(14+213)+44(13+1)cos(θ+π3)\displaystyle \begin{aligned} \overline{\mathrm{CD}}^{2} &= (\sqrt{13}+1)^{2}+2^{2}-2\times(\sqrt{13}+1)\times2\times\cos\left(\theta+\frac{\pi}{3}\right) \\ &= (14+2\sqrt{13})+4-4(\sqrt{13}+1)\cos\left(\theta+\frac{\pi}{3}\right) \end{aligned}삼각함수의 덧셈정리에 의해서cos(θ+π3)=cosθcosπ3sinθsinπ3=cosθ3sinθ2\displaystyle \cos\left(\theta+\frac{\pi}{3}\right)=\cos\theta\cos\frac{\pi}{3}-\sin\theta\sin\frac{\pi}{3}=\frac{\cos\theta-\sqrt{3}\sin\theta}{2}직각삼각형 HO1O2\displaystyle \mathrm{HO}_{1}\mathrm{O}_{2}에서 sinθ=34\displaystyle \sin\theta=\frac{\sqrt{3}}{4}, cosθ=134\displaystyle \cos\theta=\frac{\sqrt{13}}{4}이므로cos(θ+π3)=12×(1343×34)=1338\displaystyle \cos\left(\theta+\frac{\pi}{3}\right)=\frac{1}{2}\times\left(\frac{\sqrt{13}}{4}-\sqrt{3}\times\frac{\sqrt{3}}{4}\right)=\frac{\sqrt{13}-3}{8}따라서CD2=(18+213)4(13+1)cos(θ+π3)=(18+213)4(13+1)×1338=13+313\displaystyle \begin{aligned} \overline{\mathrm{CD}}^{2} &= (18+2\sqrt{13})-4(\sqrt{13}+1)\cos\left(\theta+\frac{\pi}{3}\right) \\ &= (18+2\sqrt{13})-4(\sqrt{13}+1)\times\frac{\sqrt{13}-3}{8} \\ &= 13+3\sqrt{13} \end{aligned}

< 3 > CD2\displaystyle \overline{\mathrm{CD}}^{2}CP12\displaystyle \overline{\mathrm{CP}_{1}}^{2}의 크기를 비교하자.(CD2CP12)=(13+313)(14+213)=131>0\displaystyle \left(\overline{\mathrm{CD}}^{2}-\overline{\mathrm{CP}_{1}}^{2}\right)=(13+3\sqrt{13})-(14+2\sqrt{13})=\sqrt{13}-1>0따라서 CD2>CP12\displaystyle \overline{\mathrm{CD}}^{2}>\overline{\mathrm{CP}_{1}}^{2}이므로 r2=CD2=13+313\displaystyle r^{2}=\overline{\mathrm{CD}}^{2}=13+3\sqrt{13}이다.

[문제 2-1] (15점)(상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우(중상) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우(중하) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수가 있거나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우(하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

[문제 2-2] (15점)(상) 문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한경우(중상) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우(중하) 문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수가 있거나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우(하) 잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

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