AMC 10 · 2009 · #13

학년 10 geometry-2d
law-of-cosinestrigonometric-ratiosinterval-arithmetic bound-inequality-then-enumerateextreme-principle ↑ 선수 지식: law-of-cosines
📏 중간 풀이 💡 3 개 인사이트 📊 도형
문제
배가 한 구간을 달리고 주어진 범위 안의 각으로 방향을 튼 뒤 두 번째 구간을 달린다. 출발점까지 거리의 제곱이 가질 수 있는 값을 모두 담는 구간을 구하여라.

답을 골라 클릭하세요.

(A)
[400,500]
(B)
[500,600]
(C)
[600,700]
(D)
[700,800]
(E)
[800,900]
풀이 과정
전략 극단의 원리

문제가 삼각형 한 무리를 한꺼번에 묻고 있으므로 양끝 두 각을 넣어 보는 것이 자연스러운 수다. 그런데 두 경우를 계산하면 그 두 값만 증명될 뿐, 사이에 있는 각들에 대해서는 아무 말도 하지 못한다. 구간은 그 사이 값까지 모두 담아야 한다. 그래서 계획은 반드시 두 부분으로 이루어진다. 첫째, 트는 각이 커질 때 AC가 한 방향으로만 움직인다는 것을 증명한다. 이것이 있어야 양끝 두 경우가 그저 두 개의 자료가 아니라 진짜 상한과 하한이 된다. 둘째, 그 두 경계값을 정확히 계산한다. 계산은 좌표와 피타고라스 정리가 맡는데, 이 방법은 공식만 보아서는 숨어 있는 사실 하나도 드러낸다. AC²은 C의 위치 중 오직 동쪽으로 얼마나 나아갔는지에만 의존한다는 것이다. 마지막 단계는 크기 비교다. 상한이 무리수라서 800보다 작다는 것을 따로 보여야 하기 때문이다.

1STEP 1

트는 각은 꺾인 정도이지 B에서의 내각이 아니다

트는 각은 꺾인 정도이므로 내각은 그 보각이다.

θ = 트는 각, 45° < θ < 60°, ∠ ABC = 180° - θ ∈ (120°, 135°)
2STEP 2

AC의 제곱은 C가 동쪽으로 얼마나 갔는지에만 달렸다

좌표를 쓰면 거리의 제곱이 좌표 하나에만 달린다.

B=(0,0), A=(-10,0), C=(x,y), x²+y²=400 ⟹ AC²=(x+10)²+y²=500+20x
3STEP 3

많이 틀수록 AC가 줄어든다는 것 보이기

더 크게 틀수록 마지막 거리가 언제나 짧아진다.

AB=10, BC=20 고정, θ₁ < θ₂ → ∠ ABC₁ = 180°-θ₁ > 180°-θ₂ = ∠ ABC₂ SAS 부등식{⟹} AC₁ > AC₂
4STEP 4

양끝 두 각을 계산하기

양 끝의 각을 계산하면 범위가 감싸진다.

x(45°)=20·√(2)/2=10√(2) → AC²=500+200√(2); x(60°)=20·1/2=10 → AC²=700; 700 < AC² < 500+200√(2)
5STEP 5

범위를 한 구간 안에 가두기

그 범위 전체가 [700,800] 안에 들어간다, 보기 (B).

500+200√(2) < 800 ⇔ √(2) < 3/2 ⇔ 2 < 9/4; 700 < AC² < 500+200√(2) ≈ 782.8 ⊂ [700,800]
정답
[700,800]
서로 독립인 두 가지 점검이 맞아떨어진다. 첫째, 거친 범위 잡기다. 삼각부등식에서 10 < AC < 30이므로 AC²은 100과 900 사이에 있다. 이 띠의 양끝은 두 극단적인 회전에 대응한다. 180도를 틀어 되돌아오면 AC = 10이고, 전혀 틀지 않고 직진하면 AC = 30이다. 45도에서 60도 정도의 회전은 되돌아오는 쪽보다 직진 쪽에 훨씬 가까우므로 AC²은 띠의 위쪽에 있되 900에는 한참 못 미쳐야 한다. 700에서 783이라는 구간이 이 예상과 들어맞는다. 둘째, 범위 안쪽의 값을 하나 찍어 보는 점검이다. 그림에 그려진 50도를 쓰면 cos 50° ≈ 0.643이므로 AC² ≈ 500 + 400(0.643) ≈ 757이고, 이는 [700,800] 안에 넉넉히 들어 있으며 계산한 두 경계 사이에 놓인다. 단조성 주장이 예측한 그대로다. 선택지 (D)가 두 점검을 모두 통과한다.
💡핵심 정리

각이 어떤 범위 안에서 자유롭게 움직일 수 있을 때는, 그 사이 내내 답이 한 방향으로만 움직인다는 것을 보인 뒤에야 양끝만 확인한 것이 증명이 된다.

  • 트는 각은 꺾인 정도이지 B에서의 내각이 아니다
  • AC의 제곱은 C가 동쪽으로 얼마나 갔는지에만 달렸다
  • 많이 틀수록 AC가 줄어든다는 것 보이기
  • 양끝 두 각을 계산하기
  • 범위를 한 구간 안에 가두기