기하평면벡터수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

평행사변형 벡터 최댓값

문제

좌표평면에 AB=6\displaystyle {\overline{\mathrm{AB}}} = 6, AD=4\displaystyle {\overline{\mathrm{AD}}} = 4, cos(ABC)=14\displaystyle \cos \left( \angle {\mathrm{ABC}} \right) = \frac{1}{4}인 평행사변형 ABCD{\mathrm{ABCD}}가 있다. PA+PB+PC+PD=12BD\displaystyle \left| {\vec{\mathrm{PA}}} + {\vec{\mathrm{PB}}} + {\vec{\mathrm{PC}}} + {\vec{\mathrm{PD}}} \right| = \frac{1}{2} \left| {\vec{\mathrm{BD}}} \right| 를 만족시키는 점 P{\mathrm{P}}에 대하여 AQ=ACAP{\vec{\mathrm{AQ}}} = {\vec{\mathrm{AC}}} - {\vec{\mathrm{AP}}} 를 만족시키는 점을 Q{\mathrm{Q}}라 하자. PBDQ{\vec{\mathrm{PB}}} \bullet {\vec{\mathrm{DQ}}}의 최댓값을 구하시오. [4점]

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25

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해설

두 선분 AC{\mathrm{AC}}BD{\mathrm{BD}}의 교점을 O{\mathrm{O}}라 하면 PA+PB+PC+PD\left| {\vec{\mathrm{PA}}} + {\vec{\mathrm{PB}}} + {\vec{\mathrm{PC}}} + {\vec{\mathrm{PD}}} \right| =OA+OB+OC+OD4OP= \left| {\vec{\mathrm{OA}}} + {\vec{\mathrm{OB}}} + {\vec{\mathrm{OC}}} + {\vec{\mathrm{OD}}} - 4 {\vec{\mathrm{OP}}} \right| =(OA+OC)+(OB+OD)4OP= \left| \left( {\vec{\mathrm{OA}}} + {\vec{\mathrm{OC}}} \right) + \left( {\vec{\mathrm{OB}}} + {\vec{\mathrm{OD}}} \right) - 4 {\vec{\mathrm{OP}}} \right| =4OP=4OP= \left| - 4 {\vec{\mathrm{OP}}} \right| = 4 \left| {\vec{\mathrm{OP}}} \right| BD2\left| {\vec{\mathrm{BD}}} \right| ^{2}=(CDCB)(CDCB)= \left( {\vec{\mathrm{CD}}} - {\vec{\mathrm{CB}}} \right) \bullet \left( {\vec{\mathrm{CD}}} - {\vec{\mathrm{CB}}} \right) =CD2+CB2= \left| {\vec{\mathrm{CD}}} \right| ^{2} + \left| {\vec{\mathrm{CB}}} \right| ^{2}2CDCBcos(BCD)- 2 \left| {\vec{\mathrm{CD}}} \right| \left| {\vec{\mathrm{CB}}} \right| \cos \left( \angle {\mathrm{BCD}} \right) =62+422×6×4×(14)\displaystyle = 6 ^{2} + 4 ^{2} - 2 \times 6 \times 4 \times \left( - \frac{1}{4} \right) =64= 64 BD=8\left| {\vec{\mathrm{BD}}} \right| = 8 PA+PB+PC+PD=12BD\displaystyle \left| {\vec{\mathrm{PA}}} + {\vec{\mathrm{PB}}} + {\vec{\mathrm{PC}}} + {\vec{\mathrm{PD}}} \right| = \frac{1}{2} \left| {\vec{\mathrm{BD}}} \right|에서 4OP=12BD=4\displaystyle 4 \left| {\vec{\mathrm{OP}}} \right| = \frac{1}{2} \left| {\vec{\mathrm{BD}}} \right| = 4이므로 OP=1\left| {\vec{\mathrm{OP}}} \right| = 1P{\mathrm{P}}는 점 O{\mathrm{O}}를 중심으로 하고 반지름의 길이가 11인 원 위의 점이다.

AQ=ACAP=PC{\vec{\mathrm{AQ}}} = {\vec{\mathrm{AC}}} - {\vec{\mathrm{AP}}} = {\vec{\mathrm{PC}}}이므로 PBDQ{\vec{\mathrm{PB}}} \bullet {\vec{\mathrm{DQ}}}=PB(AQAD)= {\vec{\mathrm{PB}}} \bullet \left( {\vec{\mathrm{AQ}}} - {\vec{\mathrm{AD}}} \right) =PB(PCAD)= {\vec{\mathrm{PB}}} \bullet \left( {\vec{\mathrm{PC}}} - {\vec{\mathrm{AD}}} \right) =PB(PC+CB)= {\vec{\mathrm{PB}}} \bullet \left( {\vec{\mathrm{PC}}} + {\vec{\mathrm{CB}}} \right) =PBPB= {\vec{\mathrm{PB}}} \bullet {\vec{\mathrm{PB}}} =(OBOP)(OBOP)= \left( {\vec{\mathrm{OB}}} - {\vec{\mathrm{OP}}} \right) \bullet \left( {\vec{\mathrm{OB}}} - {\vec{\mathrm{OP}}} \right) =OB22(OBOP)+OP2= \left| {\vec{\mathrm{OB}}} \right| ^{2} - 2 \left( {\vec{\mathrm{OB}}} \bullet {\vec{\mathrm{OP}}} \right) + \left| {\vec{\mathrm{OP}}} \right| ^{2} =162(OBOP)+1= 16 - 2 \left( {\vec{\mathrm{OB}}} \bullet {\vec{\mathrm{OP}}} \right) + 1 =172(OBOP)= 17 - 2 \left( {\vec{\mathrm{OB}}} \bullet {\vec{\mathrm{OP}}} \right) BD=8\left| {\vec{\mathrm{BD}}} \right| = 8이므로 OB=4\left| {\vec{\mathrm{OB}}} \right| = 4 두 벡터 OB{\vec{\mathrm{OB}}}, OP{\vec{\mathrm{OP}}}가 이루는 각의 크기를 θ(0θπ)\theta \left( 0 \leq \theta \leq \pi \right)라 하면 PBDQ{\vec{\mathrm{PB}}} \bullet {\vec{\mathrm{DQ}}}=172OBOPcosθ= 17 - 2 \left| {\vec{\mathrm{OB}}} \right| \left| {\vec{\mathrm{OP}}} \right| \cos \theta =172×4×1×cosθ= 17 - 2 \times 4 \times 1 \times \cos \theta =178cosθ= 17 - 8 \cos \theta 따라서 PBDQ{\vec{\mathrm{PB}}} \bullet {\vec{\mathrm{DQ}}}의 최댓값은 θ=π\theta = \pi일 때, 178cosπ=2517 - 8 \cos \pi = 25 [참고] AQ=ACAP{\vec{\mathrm{AQ}}} = {\vec{\mathrm{AC}}} - {\vec{\mathrm{AP}}} OQOA=OCOA(OPOA){\vec{\mathrm{OQ}}} - {\vec{\mathrm{OA}}} = {\vec{\mathrm{OC}}} - {\vec{\mathrm{OA}}} - \left( {\vec{\mathrm{OP}}} - {\vec{\mathrm{OA}}} \right) OQ=OA+OCOP=OP{\vec{\mathrm{OQ}}} = {\vec{\mathrm{OA}}} + {\vec{\mathrm{OC}}} - {\vec{\mathrm{OP}}} = - {\vec{\mathrm{OP}}}

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