대수삼각함수의 활용수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

반원 위 점과 코사인

문제

그림과 같이 중심이 O{\mathrm{O}}이고 길이가 2\mathrm{2}인 선분 AB{\mathrm{AB}}를 지름으로 하는 반원이 있다. 호 AB{\mathrm{AB}} 위의 세 점 C{\mathrm{C}}, D{\mathrm{D}}, E{\mathrm{E}}DE=EB\displaystyle {\overline{\mathrm{DE}}} = {\overline{\mathrm{EB}}}, CD:DE=1:2\displaystyle {\overline{\mathrm{CD}}} : {\overline{\mathrm{DE}}} = 1 : \sqrt{2}, COE=π2\displaystyle \angle \mathrm{COE} \mathit{=} \frac{\pi}{2} 를 만족시킨다. cos(OBE)\cos ( \angle {\mathrm{OBE}} \mathit{)}의 값은? (단, 점 D{\mathrm{D}}는 점 B{\mathrm{B}}가 아니다.) [4점]

1410\displaystyle \frac{\sqrt{14}}{10}25\displaystyle \frac{2}{5}3210\displaystyle \frac{3 \sqrt{2}}{10}55\displaystyle \frac{\sqrt{5}}{5}2210\displaystyle \frac{\sqrt{22}}{10}

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해설

OC=OD=OE=1\displaystyle {\overline{\mathrm{OC}}} = {\overline{\mathrm{OD}}} = {\overline{\mathrm{OE}}} = 1, COE=π2\displaystyle \angle \mathrm{COE} \mathit{=} \frac{\pi}{2}이므로 CE=2\displaystyle {\overline{\mathrm{CE}}} = \sqrt{2}, OCD=ODC\angle \mathrm{OCD} \mathit{=} \angle \mathrm{ODC}, ODE=OED\angle \mathrm{ODE} \mathit{=} \angle \mathrm{OED} 사각형 COED\mathrm{COED}에서 OCD+CDE+OED=2ππ2=32π\displaystyle \angle \mathrm{OCD} \mathit{+} \angle \mathrm{CDE} \mathit{+} \angle \mathrm{OED} \mathit{=} 2 \pi - \frac{\pi}{2} = \frac{3}{2} \pi, OCD+OED=CDE\angle \mathrm{OCD} \mathit{+} \angle \mathrm{OED} \mathit{=} \angle \mathrm{CDE}이므로 2CDE=32π\displaystyle 2 \angle \mathrm{CDE} \mathit{=} \frac{3}{2} \pi, 즉 CDE=34π\displaystyle \angle \mathrm{CDE} \mathit{=} \frac{3}{4} \pi 한편 CD:DE=1:2\displaystyle {\overline{\mathrm{CD}}} : {\overline{\mathrm{DE}}} = 1 : \sqrt{2}이므로 CD=a\displaystyle {\overline{\mathrm{CD}}} = a, DE=2a(a>0)\displaystyle {\overline{\mathrm{DE}}} = \sqrt{2} a \left( a > 0 \right)이라 하자. 삼각형 DCE\mathrm{DCE}에서 코사인법칙에 의하여 CE2\displaystyle {\overline{\mathrm{CE}}} ^{2}=a2+(2a)22×a×2a×cos34π\displaystyle = a ^{2} + \left( \sqrt{2} a \right) ^{2} - 2 \times a \times \sqrt{2} a \times \cos \frac{3}{4} \pi=5a2= 5 a ^{2} 이고 CE=5a=2\displaystyle \overline{{\mathrm{CE}}} = \sqrt{5} a = \sqrt{2}, 즉 a=105\displaystyle a = \frac{\sqrt{10}}{5} OBE=θ\angle {\mathrm{OBE}} \mathit{=} \theta라 하고 점 O{\mathrm{O}}에서 선분 EB{\mathrm{EB}}에 내린 수선의 발을 H{\mathrm{H}}라 하면 EB=DE=2a=255\displaystyle {\overline{\mathrm{EB}}} = {\overline{\mathrm{DE}}} = \sqrt{2} a = \frac{2 \sqrt{5}}{5}이므로 cosθ=BHOB=12EBOB=55\displaystyle \cos \theta = \frac{{\overline{\mathrm{BH}}}}{{\overline{\mathrm{OB}}}} = \frac{\frac{1}{2} {\overline{\mathrm{EB}}}}{{\overline{\mathrm{OB}}}} = \frac{\sqrt{5}}{5} [다른 풀이] OB=OD\displaystyle {\overline{\mathrm{OB}}} = {\overline{\mathrm{OD}}}, EB=ED\displaystyle {\overline{\mathrm{EB}}} = {\overline{\mathrm{ED}}}, OE\displaystyle {\overline{\mathrm{OE}}}는 공통이므로 삼각형 OBE\mathrm{OBE}와 삼각형 ODE\mathrm{ODE}는 합동이다. OBE=θ\angle \mathrm{OBE} \mathit{=} \theta라 하면 OEB=OED=ODE=θ\angle \mathrm{OEB} \mathit{=} \angle \mathrm{OED} \mathit{=} \angle \mathrm{ODE} \mathit{=} \theta, EOB=DOE=π2θ\angle \mathrm{EOB} \mathit{=} \angle \mathrm{DOE} \mathit{=} \pi - 2 \theta, COD=π2DOE=π2(π2θ)=2θπ2\displaystyle \angle \mathrm{COD} \mathit{=} \frac{\pi}{2} - \angle \mathrm{DOE} \mathit{=} \frac{\pi}{2} - \left( \pi - 2 \theta \right) = 2 \theta - \frac{\pi}{2}, ODC=12(πCOD)=34πθ\displaystyle \angle \mathrm{ODC} \mathit{=} \frac{1}{2} \left( \pi - \angle \mathrm{COD} \right) = \frac{3}{4} \pi - \theta, CDE=ODC+ODE=(34πθ)+θ=34π\displaystyle \angle \mathrm{CDE} \mathit{=} \angle \mathrm{ODC} \mathit{+} \angle \mathrm{ODE} \mathit{=} \left( \frac{3}{4} \pi - \theta \right) + \theta = \frac{3}{4} \pi 한편 OC=OE=1\displaystyle {\overline{\mathrm{OC}}} = {\overline{\mathrm{OE}}} = 1, COE=π2\displaystyle \angle \mathrm{COE} \mathit{=} \frac{\pi}{2}이므로 CE=2\displaystyle {\overline{\mathrm{CE}}} = \sqrt{2} CD:DE=1:2\displaystyle {\overline{\mathrm{CD}}} : {\overline{\mathrm{DE}}} = 1 : \sqrt{2}이므로 CD=a\displaystyle \overline{{\mathrm{CD}}} = a, DE=2a(a>0)\displaystyle {\overline{\mathrm{DE}}} = \sqrt{2} a \left( a > 0 \right)이라 하자. 삼각형 DCE{\mathrm{DCE}}에서 코사인법칙에 의하여 CE2=a2+(2a)22×a×2a×cos34π=5a2\displaystyle {\overline{\mathrm{CE}}} ^{2} = a ^{2} + \left( \sqrt{2} a \right) ^{2} - 2 \times a \times \sqrt{2} a \times \cos \frac{3}{4} \pi = 5 a ^{2} 이고 CE=5a=2\displaystyle {\overline{\mathrm{CE}}} = \sqrt{5} a = \sqrt{2}, a=105\displaystyle a = \frac{\sqrt{10}}{5}, 즉 EB=DE=2a=255\displaystyle \overline{{\mathrm{EB}}} = \overline{{\mathrm{DE}}} = \sqrt{2} a = \frac{2 \sqrt{5}}{5} 삼각형 OBE{\mathrm{OBE}}에서 코사인법칙에 의하여 cosθ=12+(255)2122×1×255=55\displaystyle \cos \theta = \frac{1 ^{2} + \left( \frac{2 \sqrt{5}}{5} \right) ^{2} - 1 ^{2}}{2 \times 1 \times \frac{2 \sqrt{5}}{5}} = \frac{\sqrt{5}}{5}

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