기하평면벡터수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

원과 정삼각형 내적

문제

그림과 같이 한 변의 길이가 22인 정삼각형 ABC\mathrm{ABC}와 반지름의 길이가 11이고 선분 AB\mathrm{AB}와 직선 BC\mathrm{BC}에 동시에 접하는 원 OO가 있다. 원 OO 위의 점 P\mathrm{P}와 선분 BC\mathrm{BC} 위의 점 Q\mathrm{Q}에 대하여 APAQ\mathrm{\vec{AP}} \bullet \mathrm{\vec{AQ}}의 최댓값과 최솟값의 합은 a+b3\displaystyle a + b \sqrt{3}이다. a2+b2a ^{2} + b ^{2}의 값을 구하시오. (단, aa, bb는 유리수이고, 원 OO의 중심은 삼각형 ABC\mathrm{ABC}의 외부에 있다.) [4점]

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40

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해설

원의 중심을 O라 하면 AP=AO+OP\mathrm{\vec{AP}} = \vec{AO} + \vec{OP}이므로 APAQ=(AO+OP)AQ\mathrm{\vec{AP}} \cdot \vec{AQ} = ( \vec{AO} + \vec{OP} ) \cdot \vec{AQ} =AOAQ+OPAQ= \mathrm{\vec{AO}} \cdot \vec{AQ} + \vec{OP} \cdot \vec{AQ} 여기서 AOACAOAQAOAB\mathrm{\vec{AO}} \cdot \vec{AC} \leq \vec{AO} \cdot \vec{AQ} \leq \vec{AO} \cdot \vec{AB}

그림에서 BM=13\displaystyle \mathrm{\overline{BM}} = \frac{1}{\sqrt{3}}, OD=3+13\displaystyle \mathrm{\overline{OD}} = \frac{\sqrt{3} + 1}{\sqrt{3}}, AD=31\displaystyle \mathrm{\overline{AD}} = \sqrt{3} - 1이므로 AO=(3+13,13)\displaystyle \mathrm{\vec{AO}} = \left( - \frac{\sqrt{3} + 1}{\sqrt{3}} , 1 - \sqrt{3} \right) AB=(1,3)\displaystyle \mathrm{\vec{AB}} = \left( - 1 , - \sqrt{3} \right), AC=(1,3)\displaystyle \mathrm{\vec{AC}} = \left( 1 , - \sqrt{3} \right) AOAC=2433\displaystyle \mathrm{\vec{AO}} \cdot \vec{AC} = 2 - \frac{4}{3} \sqrt{3}, AOAB=4233\displaystyle \mathrm{\vec{AO}} \cdot \vec{AB} = 4 - \frac{2}{3} \sqrt{3} 또, OPAQ=AQcosθ\mathrm{\vec{OP}} \cdot \vec{AQ} = \left| \vec{AQ} \right| \cos \theta 이므로 2OPAQ2- 2 \leq \mathrm{\vec{OP}} \cdot \vec{AQ} \leq 2 따라서 최댓값은 (4233)+2=6233\displaystyle \left( 4 - \frac{2}{3} \sqrt{3} \right) + 2 = 6 - \frac{2}{3} \sqrt{3} 최솟값은 (2433)2=433\displaystyle \left( 2 - \frac{4}{3} \sqrt{3} \right) - 2 = - \frac{4}{3} \sqrt{3} 이므로 최댓값과 최솟값의 합은 a+b3=\displaystyle a + b \sqrt{3} =623\displaystyle 6 - 2 \sqrt{3} \therefore a2+b2=36+4=40a ^{2} + b ^{2} = 36 + 4 = 40

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