AMC 10 · 2005 · #24

학년 11 geometry-2d
coordinate-geometryequilateral-triangletangent-addition-formulavieta-formulas convert-to-algebravieta-formulas ↑ 선수 지식: coordinate-geometryslope-interceptequilateral-triangle
📏 긴 풀이 💡 4 개 인사이트
문제
포물선 위의 세 점이 정삼각형을 이루고 한 변의 기울기가 2이다. 세 점의 가로 좌표의 합이 기약분수가 된다. 그 분자와 분모의 합을 구하여라.

답을 골라 클릭하세요.

(A)
14
(B)
15
(C)
16
(D)
17
(E)
18
풀이 과정
전략 변수 도입하기

y = x² 위의 점은 x좌표 하나로 완전히 정해지므로 세 좌표를 a, b, c라 부른다. 이 포물선에서는 두 점을 잇는 현의 기울기가 두 x좌표의 합으로 간단해지고, 따라서 구하려는 값은 세 변의 기울기 합의 정확히 절반이 된다. 이렇게 바꾸어 놓으면 정삼각형이라는 조건이 기울기에 대한 이차방정식 하나로 표현되고, 그 두 근의 합만 알면 끝난다. 꼭짓점 자체는 끝까지 구할 필요가 없다.

1STEP 1

세 꼭짓점에 이름 붙이기

세 점에 이름을 붙이면 삼각형이 세 수로 줄어든다.

A = (a, a²), B = (b, b²), C = (c, c²)
2STEP 2

현의 기울기는 두 좌표의 합

현의 기울기는 두 좌표의 일 뿐이다.

AB의 기울기 = (b² - a²)/(b - a) = (b-a)(b+a)/(b-a) = a + b
3STEP 3

구하는 값은 기울기 합의 절반

그래서 구하는 값은 세 변 기울기 합의 정확히 절반이다.

(a+b) + (b+c) + (c+a) = 2(a+b+c) ⟹ a+b+c = (m_AB + m_BC + m_CA)/2
4STEP 4

정삼각형은 60° 회전 두 번

정삼각형이라 방향이 60도씩 벌어져 있다.

tanθ = 2, 나머지 두 방향: θ + 60°, θ - 60°
5STEP 5

60°를 식으로 바꾸기

탄젠트 공식이 그것을 하나의 이차방정식으로 바꾼다.

|(m - 2)/(1 + 2m)| = tan 60° = √(3) ⟹ (m-2)² = 3(1+2m)²
6STEP 6

모르는 두 기울기가 곧 두 근

모르는 두 기울기가 바로 그 두 근이다.

m² - 4m + 4 = 12m² + 12m + 3 ⟹ 11m² + 16m - 1 = 0, Δ = 256 + 44 = 300 > 0
7STEP 7

근과 계수의 관계로 합만 뽑기

비에트가 각각을 구하지 않고 합을 주어 3/11이다.

m₁ + m₂ = -16/11, Σ 기울기 = 2 - 16/11 = 6/11, a+b+c = 1/2·6/11 = 3/11
8STEP 8

기약분수로 만들고 더하기

이미 기약분수이므로 답은 14, 보기 (A).

m/n = 3/11, gcd(3,11) = 1, m + n = 3 + 11 = 14
정답
14
삼각형을 실제로 만들어 재어 본다. 이차방정식의 두 근은 (-8 ± 5√3)/11이고 a + b = 2이므로 c = 3/11 - 2 = -19/11, 그리고 3/11에서 각 근을 빼면 a = 1 - 5√3/11 ≈ 0.2127, b = 1 + 5√3/11 ≈ 1.7873이다. 이때 (a,a²), (b,b²), (c,c²)을 잇는 세 변의 길이는 모두 ≈ 3.5209로 같고, 세 기울기는 2, ≈ -1.5146, ≈ 0.0600이다. 즉 조건을 모두 만족하는 삼각형이 실제로 존재하고 정말 정삼각형이며, x좌표의 합도 0.2727… = 3/11이다. 두 꼭짓점이 x = 1 근처에 있고 세 번째가 x = -19/11 근처에 있으므로 큰 상쇄가 일어나 작은 양수가 나오는 것도 자연스럽다.
💡핵심 정리

y = x² 위에서는 두 점을 잇는 직선의 기울기가 두 x좌표를 더한 값이므로, 점에 대한 질문이 기울기에 대한 질문으로 바뀐다.

  • 세 꼭짓점에 이름 붙이기
  • 현의 기울기는 두 좌표의 합
  • 구하는 값은 기울기 합의 절반
  • 정삼각형은 60° 회전 두 번
  • 60°를 식으로 바꾸기
  • 모르는 두 기울기가 곧 두 근
  • 근과 계수의 관계로 합만 뽑기
  • 기약분수로 만들고 더하기