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2023학년도 6월 모의평가 수학 10번 풀이·해설

삼각함수정답 3 · 평가원 정답표 검증 완료

어떤 문제인가

이 문제는 원에 내접하는 사각형과 삼각형의 성질을 이용하여 선분 $MD$의 길이를 구하는 문제입니다. 문제를 해결하기 위해 우리는 다음 3가지 핵심 개념을 단계별로 적용할 것입니다.

2023학년도 6월 모평 수학 공통 10번의 원본 그림입니다. 점의 이름과 위치 관계를 아래 풀이와 함께 확인해 보세요.

단계별 풀이

1단계: 선분 $AC$의 길이 구하기

먼저 삼각형 $ABC$에서 주어진 조건들을 이용해 변 $AC$의 길이를 구해보겠습니다.

우리가 알고 있는 값은 다음과 같습니다.

구하고자 하는 선분 $AC$의 길이를 $x$라고 합시다. 삼각형 $ABC$에서 각 $A$($\angle\text{BAC}$)에 대해 코사인법칙을 적용하면 다음과 같은 식을 세울 수 있습니다.

$$\overline{\text{BC}}^2 = \overline{\text{AB}}^2 + \overline{\text{AC}}^2 - 2 \cdot \overline{\text{AB}} \cdot \overline{\text{AC}} \cdot \cos(\angle\text{BAC})$$

여기에 알고 있는 값들을 대입해 볼까요?

$$2^2 = 3^2 + x^2 - 2 \cdot 3 \cdot x \cdot \frac{7}{8}$$

$$4 = 9 + x^2 - \frac{21}{4}x$$

양변에 4를 곱해서 분수를 없애고 식을 정리해 봅시다.

$$16 = 36 + 4x^2 - 21x$$

$$4x^2 - 21x + 20 = 0$$

이 이차방정식을 인수분해하면 다음과 같습니다.

$$(4x - 5)(x - 4) = 0$$

따라서 $x = \frac{5}{4}$ 또는 $x = 4$가 됩니다.

그런데 문제 조건에서 $\overline{\text{AC}} > 3$이라고 했으므로, 우리가 찾는 선분 $AC$의 길이는 다음과 같습니다.

$$\overline{\text{AC}} = 4$$

2단계: 선분 $AM$, $MC$, $BM$의 길이 구하기

점 $M$은 선분 $AC$의 중점이라고 했습니다. 따라서 $AM$과 $MC$의 길이는 $AC$ 길이의 절반입니다.

$$\overline{\text{AM}} = \overline{\text{MC}} = \frac{4}{2} = 2$$

이제 삼각형 $ABC$에서 중선 $BM$의 길이를 구하기 위해 중선정리(파푸스의 정리)를 사용해 봅시다.

$$\overline{\text{AB}}^2 + \overline{\text{BC}}^2 = 2(\overline{\text{BM}}^2 + \overline{\text{AM}}^2)$$

구한 값들을 대입해 보겠습니다.

$$3^2 + 2^2 = 2(\overline{\text{BM}}^2 + 2^2)$$

$$9 + 4 = 2(\overline{\text{BM}}^2 + 4)$$

$$13 = 2\overline{\text{BM}}^2 + 8$$

$$2\overline{\text{BM}}^2 = 5$$

$$\overline{\text{BM}}^2 = \frac{5}{2}$$

따라서 $\overline{\text{BM}}$의 길이는 다음과 같습니다.

$$\overline{\text{BM}} = \sqrt{\frac{5}{2}} = \frac{\sqrt{10}}{2}$$

3단계: 방멱의 정리를 이용해 선분 $MD$의 길이 구하기

그림을 보면 원 안에서 두 현 $AC$와 $BD$가 점 $M$에서 서로 교차하고 있습니다.

원 안에서 두 현이 만날 때, 교점에 의해 나누어진 선분들의 곱은 서로 같습니다. 이를 방멱의 정리라고 합니다.

$$\overline{\text{AM}} \cdot \overline{\text{MC}} = \overline{\text{BM}} \cdot \overline{\text{MD}}$$

우리가 구한 값들을 이 식에 대입하여 $\overline{\text{MD}}$의 길이를 구해봅시다.

$$2 \cdot 2 = \frac{\sqrt{10}}{2} \cdot \overline{\text{MD}}$$

$$4 = \frac{\sqrt{10}}{2} \cdot \overline{\text{MD}}$$

양변에 $\frac{2}{\sqrt{10}}$를 곱해주면,

$$\overline{\text{MD}} = \frac{8}{\sqrt{10}}$$

분모를 유리화하면 다음과 같습니다.

$$\overline{\text{MD}} = \frac{8\sqrt{10}}{10} = \frac{4\sqrt{10}}{5}$$

답

정답은 ③ $\frac{4\sqrt{10}}{5}$ 입니다.

확인해보기

만약 점 $M$이 선분 $AC$의 중점이 아니라, 선분 $AC$를 $1:3$으로 내분하는 점이었다면(즉, $\overline{\text{AM}}:\overline{\text{MC}} = 1:3$), 마지막 3단계에서 사용한 방멱의 정리 식은 어떻게 변하게 될지 스스로 생각해 보세요!

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문항 원문은 저작권(한국교육과정평가원) 보호 대상이라 싣지 않습니다. 문제지·정답표 원문은 평가원 기출문제 게시판에서 내려받을 수 있습니다 ↗