대수삼각함수의 활용수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

원에 내접하는 사각형 빈칸

문제

그림과 같이 반지름의 길이가 RR(5<R<55\displaystyle 5 < R < 5 \sqrt{5})인 원에 내접하는 사각형 ABCD\mathrm{ABCD}가 다음 조건을 만족시킨다.

(가) AB\displaystyle {\overline{\mathrm{AB}}}=AD\displaystyle = {\overline{\mathrm{AD}}}이고 AC\displaystyle {\overline{\mathrm{AC}}}=10= 10이다. (나) 사각형 ABCD\mathrm{ABCD}의 넓이는 4040이다.

다음은 선분 BD\mathrm{BD}의 길이와 RR의 비를 구하는 과정이다.

AB\displaystyle {\overline{\mathrm{AB}}}=AD\displaystyle = {\overline{\mathrm{AD}}}=k= k라 할 때 두 삼각형 ABC\mathrm{ABC}, ACD\mathrm{ACD}에서 각각 코사인법칙에 의하여 cos(ACB)\cos \left( \angle \mathrm{ACB} \right)=120(BC+()BC)\displaystyle = \frac{1}{20} \left( {\overline{\mathrm{BC}}} + \frac{{\square {\left( \text{가} \right)}}}{{\overline{\mathrm{BC}}}} \right), cos(DCA)\cos \left( \angle \mathrm{DCA} \right)=120(CD+()CD)\displaystyle = \frac{1}{20} \left( {\overline{\mathrm{CD}}} + \frac{{\square {\left( \text{가} \right)}}}{{\overline{\mathrm{CD}}}} \right) 이다. 이때 두 호 AB\mathrm{AB}, AD\mathrm{AD}에 대한 원주각의 크기가 같으므로 cos(ACB)\cos \left( \angle \mathrm{ACB} \right)=cos(DCA)= \cos \left( \angle \mathrm{DCA} \right)이다. 사각형 ABCD\mathrm{ABCD}의 넓이는 두 삼각형 ABD\mathrm{ABD}, BCD\mathrm{BCD}의 넓이의 합과 같으므로 12k2sin(BAD)+12×BC×CD×sin(πBAD)\displaystyle \frac{1}{2} k ^{2} \sin \left( \angle \mathrm{BAD} \right) + \frac{1}{2} \times {\overline{\mathrm{BC}}} \times {\overline{\mathrm{CD}}} \times \sin \left( \pi - \angle \mathrm{BAD} \right)=40= 40 에서 sin(BAD)\sin \left( \angle \mathrm{BAD} \right)=()= {\square {\left( \text{나} \right)}}이다. 따라서 삼각형 ABD\mathrm{ABD}에서 사인법칙에 의하여 BD:R\displaystyle {\overline{\mathrm{BD}}} : R=():1= {\square {\left( \text{다} \right)}} : 1이다.

위의 (가)에 알맞은 식을 f(k)f \left( k \right)라 하고, (나), (다)에 알맞은 수를 각각 pp, qq라 할 때, f(10p)q\displaystyle \frac{f \left( 10 p \right)}{q}의 값은? [4점] 252\displaystyle \frac{25}{2}1515352\displaystyle \frac{35}{2}2020452\displaystyle \frac{45}{2}

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해설

[출제의도] 삼각함수를 이용하여 추론하기 AB\displaystyle {\overline{\mathrm{AB}}}=AD\displaystyle = {\overline{\mathrm{AD}}}=k= k라 할 때 두 삼각형 ABC\mathrm{ABC}, ACD\mathrm{ACD}에서 각각 코사인법칙에 의하여 cos(ACB)\cos \left( \angle \mathrm{ACB} \right)=102+BC2k22×10×BC\displaystyle = \frac{10 ^{2} + {\overline{\mathrm{BC}}} ^{2} - k ^{2}}{2 \times 10 \times {\overline{\mathrm{BC}}}}=120(BC+100k2BC)\displaystyle = \frac{1}{20} \left( {\overline{\mathrm{BC}}} + \frac{{\square {100 - k ^{2}}}}{{\overline{\mathrm{BC}}}} \right), cos(DCA)\cos \left( \angle \mathrm{DCA} \right)=102+CD2k22×10×CD\displaystyle = \frac{10 ^{2} + {\overline{\mathrm{CD}}} ^{2} - k ^{2}}{2 \times 10 \times {\overline{\mathrm{CD}}}}=120(CD+100k2CD)\displaystyle = \frac{1}{20} \left( {\overline{\mathrm{CD}}} + \frac{{\square {100 - k ^{2}}}}{{\overline{\mathrm{CD}}}} \right) 이다. 이때 두 호 AB\mathrm{AB}, AD\mathrm{AD}에 대한 원주각의 크기가 같으므로 cos(ACB)\cos \left( \angle \mathrm{ACB} \right)=cos(DCA)= \cos \left( \angle \mathrm{DCA} \right)이다. 120(BC+100k2BC)\displaystyle \frac{1}{20} \left( {\overline{\mathrm{BC}}} + \frac{100 - \mathit{k} ^{2}}{{\overline{\mathrm{BC}}}} \right)=120(CD+100k2CD)\displaystyle = \frac{1}{20} \left( {\overline{\mathrm{CD}}} + \frac{100 - k ^{2}}{{\overline{\mathrm{CD}}}} \right) BCCD\displaystyle {\overline{\mathrm{BC}}} - {\overline{\mathrm{CD}}}=(100k2)×(1CD1BC)\displaystyle = \left( 100 - k ^{2} \right) \times \left( \frac{1}{{\overline{\mathrm{CD}}}} - \frac{1}{{\overline{\mathrm{BC}}}} \right) BCCD\displaystyle {\overline{\mathrm{BC}}} - {\overline{\mathrm{CD}}}=(100k2)×(BCCDBC×CD)\displaystyle = \left( 100 - k ^{2} \right) \times \left( \frac{{\overline{\mathrm{BC}}} - {\overline{\mathrm{CD}}}}{{\overline{\mathrm{BC}}} \times {\overline{\mathrm{CD}}}} \right) AC\displaystyle {\overline{\mathrm{AC}}}=10<2R= 10 < 2 R이므로 BC\displaystyle {\overline{\mathrm{BC}}}CD\displaystyle \ne {\overline{\mathrm{CD}}} 그러므로 BC×CD\displaystyle {\overline{\mathrm{BC}}} \times {\overline{\mathrm{CD}}}=100k2= 100 - k ^{2} 사각형 ABCD\mathrm{ABCD}의 넓이는 두 삼각형 ABD\mathrm{ABD}, BCD\mathrm{BCD}의 넓이의 합과 같으므로 12k2sin(BAD)+12×BC×CD×sin(πBAD)\displaystyle \frac{1}{2} k ^{2} \sin \left( \angle \mathrm{BAD} \right) + \frac{1}{2} \times {\overline{\mathrm{BC}}} \times {\overline{\mathrm{CD}}} \times \sin \left( \pi - \angle \mathrm{BAD} \right) =12{k2+(100k2)}sin(BAD)\displaystyle = \frac{1}{2} \left\{ k ^{2} + \left( 100 - k ^{2} \right) \right\} \sin \left( \angle \mathrm{BAD} \right) =50sin(BAD)= 50 \sin \left( \angle \mathrm{BAD} \right)=40= 40 에서 sin(BAD)\sin \left( \angle \mathrm{BAD} \right)=45\displaystyle = {\square {\frac{4}{5}}}이다. 따라서 삼각형 ABD\mathrm{ABD}에서 사인법칙에 의하여 BDsin(BAD)\displaystyle \frac{{\overline{\mathrm{BD}}}}{\sin \left( \angle \mathrm{BAD} \right)}=2R= 2 R에서 BD\displaystyle {\overline{\mathrm{BD}}}=85R\displaystyle = \frac{8}{5} R이므로 BD:R\displaystyle {\overline{\mathrm{BD}}} : R=85:1\displaystyle = {\square {\frac{8}{5}}} : 1 따라서 f(k)f \left( k \right)=100k2= 100 - k ^{2}, pp=45\displaystyle = \frac{4}{5}, qq=85\displaystyle = \frac{8}{5}이므로 f(10p)q\displaystyle \frac{f \left( 10 p \right)}{q}=(10082)×58\displaystyle = \left( 100 - 8 ^{2} \right) \times \frac{5}{8}=452\displaystyle = \frac{45}{2}

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