기하평면벡터수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

정사각형 위 두 점과 내적

문제

좌표평면 위의 네 점 A(2,0)\mathrm{A} \mathit{\left( 2 , 0 \right)}, B(0,2)\mathrm{B} \mathit{\left( 0 , 2 \right)}, C(2,0)\mathrm{C} \mathit{\left( - 2 , 0 \right)}, D(0,2)\mathrm{D} \mathit{\left( 0 , - 2 \right)}를 꼭짓점으로 하는 정사각형 ABCD\mathrm{ABCD}의 네 변 위의 두 점 P,Q\mathrm{P} , Q가 다음 조건을 만족시킨다.

(가) (PQAB)(PQAD)\left( {\vec{\mathrm{PQ}}} \bullet {\vec{\mathrm{AB}}} \right) \left( {\vec{\mathrm{PQ}}} \bullet {\vec{\mathrm{AD}}} \right)=0= 0 (나) OAOP2{\vec{\mathrm{OA}}} \bullet {\vec{\mathrm{OP}}} \geq - 2이고 OBOP0{\vec{\mathrm{OB}}} \bullet {\vec{\mathrm{OP}}} \geq 0이다. (다) OAOQ2{\vec{\mathrm{OA}}} \bullet {\vec{\mathrm{OQ}}} \geq - 2이고 OBOQ0{\vec{\mathrm{OB}}} \bullet {\vec{\mathrm{OQ}}} \leq 0이다.

R(4,4)\mathrm{R} \mathit{\left( 4 , 4 \right)}에 대하여 RPRQ{\vec{\mathrm{RP}}} \bullet {\vec{\mathrm{RQ}}}의 최댓값을 MM, 최솟값을 mm이라 할 때, M+mM + m의 값을 구하시오. (단, O\mathrm{O}는 원점이다.) [4점]

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48

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해설

[출제 의도] 벡터로 표현된 식을 이용하여 두 벡터의 내적의 최댓값과 최솟값을 구할 수 있는가? 조건 (가)에서 PQAB{\vec{{\mathrm{P}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{A}} \mathit{\mathrm{B}}}}=0= 0 또는 PQAD{\vec{{\mathrm{P}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{A}} \mathit{\mathrm{D}}}}=0= 0 이므로 다음과 같이 두 가지의 경우로 나누어 생각할 수 있다. (ⅰ) PQAB{\vec{{\mathrm{P}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{A}} \mathit{\mathrm{B}}}}=0= 0, 즉 PQAB\displaystyle \overline{{\mathrm{P}} \mathit{\mathrm{Q}}} \perp \overline{{\mathrm{A}} \mathit{\mathrm{B}}}인 경우 두 조건 (나)와 (다)에서 OBOP0{\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{B}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{P}}}} \geq 0, OBOQ0{\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{B}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \leq 0이므로 점 P\mathrm{P}는 선분 AB\mathrm{AB}위의 점이고 점 Q\mathrm{Q}는 선분 CD\mathrm{CD}위의 점이다.

P\mathrm{P}의 좌표를 P(a,2a)\mathrm{P} \mathit{\left( a , 2 - a \right)} (0a2)\left( 0 \leq a \leq 2 \right)라 하면 점 Q\mathrm{Q}의 좌표는 Q(a2,a)\mathrm{Q} \mathit{\left( a - 2 , a \right)} OAOP2{\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{A}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{P}}}} \geq - 2에서 (2,0)(a,2a)=2a2\left( 2 , 0 \right) \bullet \left( a , 2 - a \right) = 2 a \geq - 2 이므로 a1a \geq - 1 \cdotsOBOP0{\vec{\mathrm{O} \mathit{\mathrm{B}}}} \bullet {\vec{\mathrm{O} \mathit{\mathrm{P}}}} \geq 0에서 (0,2)(a,2a)\left( 0 , 2 \right) \bullet \left( a , 2 - a \right)=2(2a)0= 2 \left( 2 - a \right) \geq 0 이므로 a2a \leq 2 \cdotsOAOQ2{\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{A}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \geq - 2에서 (2,0)(a2,a)\left( 2 , 0 \right) \bullet \left( a - 2 , - a \right)=2(a2)2= 2 \left( a - 2 \right) \geq - 2 이므로 a1a \geq 1 \cdotsOBOQ0{\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{B}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \leq 0에서 (0,2)(a2,a)\left( 0 , 2 \right) \bullet \left( a - 2 , - a \right)=2a0= - 2 a \leq 0 이므로 a0a \geq 0 \cdots ㉣ ㉠, ㉡, ㉢, ㉣에서 1a21 \leq a \leq 2 \cdots ㉤ 한편, 점 R(4,4)\mathrm{R} \left( 4 , 4 \right)에 대하여 RP{\vec{\mathrm{R} \mathit{\mathrm{P}}}}=OPOR= {\vec{\mathrm{OP}}} - {\vec{\mathrm{OR}}} =(a,2a)(4,4)= \left( a , 2 - a \right) - \left( 4 , 4 \right) =(a4,a2)= \left( a - 4 , - a - 2 \right) RQ\mathrm{\vec{RQ}}=OQOR\mathrm{=} \vec{OQ} - \vec{OR} =(a2,a)(4,4)= \left( a - 2 , - a \right) - \left( 4 , 4 \right) =(a6,a4)= \left( a - 6 , - a - 4 \right) 이므로 RPRQ{\vec{\mathrm{R} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{\mathrm{R} \mathit{\mathrm{Q}}}} =(a4,a2)(a6,a4)= \left( a - 4 , - a - 2 \right) \bullet \left( a - 6 , - a - 4 \right) =(a4)(a6)+(a+2)(a+4)= \left( a - 4 \right) \left( a - 6 \right) + \left( a + 2 \right) \left( a + 4 \right) =2a24a+32= 2 a ^{2} - 4 a + 32 =2(a1)2+30= 2 \left( a - 1 \right) ^{2} + 30 ㉤에서 30RPRQ3230 \leq {\vec{\mathrm{R} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{\mathrm{R} \mathit{\mathrm{Q}}}} \leq 32 (ⅱ) PQAD=0{\vec{{\mathrm{P}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{A}} \mathit{\mathrm{D}}}} = 0PQAD\displaystyle \overline{{\mathrm{P}} \mathit{\mathrm{Q}}} \perp \overline{{\mathrm{A}} \mathit{\mathrm{D}}}인 경우 두 조건 (나)와 (다)에서 $$ OBOP0{\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{B}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{P}}}} \geq 0, OBOQ0{\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{B}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \leq 0 이므로 점 P\mathrm{P}는 선분 BC\mathrm{BC}위의 점이고 점 Q\mathrm{Q}는 선분 AD\mathrm{AD}위의 점이다.

P\mathrm{P}의 좌표를 P(a,a+2)\mathrm{P} ( \mathit{a} , a + 2 ) (2a0)( - 2 \leq a \leq 0 )라 하면 점 Q\mathrm{Q}의 좌표는 Q(a+2,a)\mathrm{Q} ( \mathit{a} + 2 , a ) OAOP2\mathrm{\vec{OA}} \bullet \vec{OP} \geq - 2에서 (2,0)(a,a+2)( 2 , 0 ) \bullet ( a , a + 2 )=2a2= 2 a \geq - 2 이므로 a1a \geq - 1 \cdotsOBOP0\mathrm{\vec{OB}} \bullet {\vec{OP}} \geq 0 (0,2)(a,a+2)( 0 , 2 ) \bullet ( a , a + 2 )=2(a+2)0= 2 ( a + 2 ) \geq 0 이므로 a2a \geq - 2 \cdotsOAOQ2{\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{A}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \geq - 2에서 (2,0)(a+2,a)\left( 2 , 0 \right) \bullet \left( a + 2 , a \right)=2(a+2)2= 2 \left( a + 2 \right) \geq - 2 이므로 a3a \geq - 3 \cdotsOBOQ0{\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{B}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \leq 0에서 (0,2)(a+2,a)\left( 0 , 2 \right) \bullet \left( a + 2 , a \right)=2a0= 2 a \leq 0 이므로 a0a \leq 0 \cdots ㉨ ㉥, ㉦, ㉧, ㉨에서 1a0- 1 \leq a \leq 0 \cdots ㉩ 한편, 점 R(4,4)\mathrm{R} \left( 4 , 4 \right)에 대하여 RP{\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{P}}}}=OPOR= {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{P}}}} - {\vec{{\mathrm{O}} \mathit{\mathrm{R}}}} =(a+2,a)(4,4)= \left( a + 2 , a \right) - \left( 4 , 4 \right) =(a2,a4)= \left( a - 2 , a - 4 \right) 이므로 RPRQ{\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{Q}}}} =(a4,a2)(a2,a4)= \left( a - 4 , a - 2 \right) \bullet \left( a - 2 , a - 4 \right) =2(a4)(a2)= 2 \left( a - 4 \right) \left( a - 2 \right) =2(a26a+8)= 2 \left( a ^{2} - 6 a + 8 \right) =2(a3)22= 2 \left( a - 3 \right) ^{2} - 2 ㉩에서 16RPRQ3016 \leq {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \leq 30 (ⅰ), (ⅱ)에서 16RPRQ3216 \leq {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \leq 32 따라서 RPRQ{\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{Q}}}}의 최댓값은 M=32M = 32, 최솟값은 m=16m = 16이므로 M+m=48M + m = 48 [다른풀이] 위의 풀이에서 두 점 P\mathrm{P}, Q\mathrm{Q}가 지나는 영역은 다음 그림의 굵은 선분 위이다.

선분 PQ\mathrm{PQ}의 중점을 N\mathrm{N}이라 하면 조건 (가)에 의하여 NP+NQ=0{\vec{{\mathrm{N}} \mathit{\mathrm{P}}}} + {\vec{{\mathrm{N}} \mathit{\mathrm{Q}}}} = 0 NPNQ\mathrm{\vec{NP}} \bullet \vec{NQ}=NPNQcosπ= \left| {\vec{\mathrm{N} \mathit{\mathrm{P}}}} \right| \left| {\vec{\mathrm{N} \mathit{\mathrm{Q}}}} \right| \cos \pi=NP2\displaystyle = - {\overline{\mathrm{N} \mathit{\mathrm{P}}}} ^{2} 이므로 RPRQ{\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{Q}}}} =(RN+NP)(RN+NQ)= \left( {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{N}}}} + {\vec{{\mathrm{N}} \mathit{\mathrm{P}}}} \right) \bullet \left( {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{N}}}} + {\vec{{\mathrm{N}} \mathit{\mathrm{Q}}}} \right) =RNRN+RNNQ+NPRN+NPNQ= {\vec{\mathrm{R} \mathit{\mathrm{N}}}} \bullet {\vec{\mathrm{R} \mathit{\mathrm{N}}}} + {\vec{\mathrm{R} \mathit{\mathrm{N}}}} \bullet {\vec{\mathrm{N} \mathit{\mathrm{Q}}}} + {\vec{\mathrm{N} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{\mathrm{R} \mathit{\mathrm{N}}}} + {\vec{\mathrm{N} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{\mathrm{N} \mathit{\mathrm{Q}}}} =RN2+RN(NQ+NP)+NPNQ= \left| {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{N}}}} \right| ^{2} + {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{N}}}} \bullet \left( {\vec{{\mathrm{N}} \mathit{\mathrm{Q}}}} + {\vec{{\mathrm{N}} \mathit{\mathrm{P}}}} \right) + {\vec{{\mathrm{N}} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{N}} \mathit{\mathrm{Q}}}} =RN2+0NP2\displaystyle = {\overline{\mathrm{R} \mathit{\mathrm{N}}}} ^{2} + 0 - {\overline{\mathrm{N} \mathit{\mathrm{P}}}} ^{2} 이때 항상 PQ=22\displaystyle \overline{{\mathrm{P}} \mathit{\mathrm{Q}}} = 2 \sqrt{2}이므로 NP=12PQ=2\displaystyle {\overline{{\mathrm{N}} \mathit{\mathrm{P}}}} = \frac{1}{2} {\overline{{\mathrm{P}} \mathit{\mathrm{Q}}}} = \sqrt{2} 따라서 RPRQ{\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{Q}}}}=RN22\displaystyle = {\overline{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{N}}}} ^{2} - 2 이므로 RPRQ{\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{Q}}}}의 최댓값과 최솟값은 RN\displaystyle \overline{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{N}}}의 최댓값과 최솟값에 의하여 결정된다. RN\displaystyle \overline{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{N}}}이 최대일 때의 두점 P\mathrm{P}, Q\mathrm{Q}의 좌표는 각각 (2,0)\left( 2 , 0 \right), (0,2)\left( 0 , - 2 \right)이므로 N(1,1){\mathrm{N}} \mathit{\left( 1 , - 1 \right)} 따라서 RN=(41)2+(4+1)2=34\displaystyle \overline{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{N}}} = \sqrt{\left( 4 - 1 \right) ^{2} + \left( 4 + 1 \right) ^{2}} = \sqrt{34} 이므로 RPRQ{\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{Q}}}}의 최댓값은 M=(34)22=32\displaystyle M = \left( \sqrt{34} \right) ^{2} - 2 = 32 RN\displaystyle \overline{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{N}}}이 최소일 때의 두 점 P\mathrm{P}, Q\mathrm{Q}의 좌표는 각각 (0,2)\left( 0 , 2 \right), (2,0)\left( 2 , 0 \right)이므로 N(1,1)\mathrm{N} \left( 1 , 1 \right) 따라서 RN=(41)2+(41)2=18\displaystyle \overline{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{N}}} = \sqrt{\left( 4 - 1 \right) ^{2} + \left( 4 - 1 \right) ^{2}} = \sqrt{18} 이므로 RPRQ{\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{P}}}} \bullet {\vec{{\mathrm{R}} \mathit{\mathrm{Q}}}}의 최솟값은 m=(18)22=16\displaystyle m = \left( \sqrt{18} \right) ^{2} - 2 = 16 이상에서 M+m=32+16=48M + m = 32 + 16 = 48

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