AMC 10 · 2013 · #11

학년 8 geometry-3dpattern
coordinate-geometryspace-diagonal-formulapattern-recognitionspatial-visualization spatial-visualizationpattern-recognition ↑ 선수 지식: coordinate-geometrypythagorean-theorem
📏 긴 풀이 💡 3 개 인사이트
문제
두 이동체가 같은 속도로 서로 다른 방향 주기를 반복한다. 정해진 거리에서의 각자 방향을 말하여라.

답을 골라 클릭하세요.

(A)
$A\ \text{east, } B\ \text{west}$
(B)
$A\ \text{north, } B\ \text{south}$
(C)
$A\ \text{north, } B\ \text{west}$
(D)
$A\ \text{up, } B\ \text{south}$
(E)
$A\ \text{up, } B\ \text{west}$
풀이 과정
전략 그림 그리기

두 비행 경로를 3차원 좌표축 위에 올리면 각 구간은 좌표 하나가 1만큼 변하는 것이 된다. 그런 다음 움직이는 두 점을 따라가는 대신, B에서 A로 향하는 간격 벡터 하나만 따라간다. 이렇게 바꾸는 이유는, 이 간격 벡터의 세 좌표가 결코 줄어들지 않음을 보일 수 있고, 그러면 거리가 꾸준히 커져서 10피트를 정확히 한 번만 지나기 때문이다. 그 뒤에는 그 순간이 몇 번째 피트 구간 안에 들어가는지만 찾고, 두 주기에서 그 구간의 방향을 읽으면 된다.

1STEP 1

비행을 좌표축 위에 올리기

좌표가 각 방향을 벡터로 바꾼다.

north=(0,1,0), east=(1,0,0), up=(0,0,1), south=(0,-1,0), west=(-1,0,0)
2STEP 2

두 반복 주기 읽어내기

두 주기 모두 깔끔한 닫힌 이 있다.

A(3k)=(k,k,k), B(2k)=(-k,-k,0)
3STEP 3

두 벌 대신 간격을 따라가기

각각보다 간격을 따라가는 편이 쉽다.

A north, B south &→ Δ D=(0,2,0) & A north, B west &→ Δ D=(1,1,0) ; A east, B south &→ Δ D=(1,1,0) & A east, B west &→ Δ D=(2,0,0) ; A up, B south &→ Δ D=(0,1,1) & A up, B west &→ Δ D=(1,0,1)
4STEP 4

거리가 결코 줄지 않음 보이기

거리는 결코 줄지 않는다.

d(t)² = D₁(t)² + D₂(t)² + D₃(t)², D_i(t) non-negative and non-decreasing → d(t) non-decreasing
5STEP 5

정수 피트 지점에서 간격 재기

정수 지점을 확인하면 그 순간이 가둬진다.

t&=6: & A&=(2,2,2), & B&=(-3,-3,0), & D&=(5,5,2), & d²&=25+25+4=54 ; t&=7: & A&=(2,3,2), & B&=(-3,-4,0), & D&=(5,7,2), & d²&=25+49+4=78 ; t&=8: & A&=(3,3,2), & B&=(-4,-4,0), & D&=(7,7,2), & d²&=49+49+4=102
6STEP 6

10피트 순간을 한 구간에 가두기

그것은 한 구간 안에 든다.

78 < 100 < 102 ⟹ √(78) < 10 < √(102)
7STEP 7

여덟 번째 피트의 방향 읽기

나머지가 두 방향을 모두 알려 준다, 보기 (A).

8 ≡ 2 (mod 3) → A east, 8 ≡ 0 (mod 2) → B west
정답
A는 동쪽, B는 서쪽
가두기에만 기대지 말고 정확한 순간을 직접 찍어 보자. 여덟 번째 피트 안의 시각을 0 ≤ s ≤ 1인 t = 7 + s로 쓰면 A = (2+s, 3, 2), B = (-3-s, -4, 0)이므로 D = (5+2s, 7, 2)이고 d² = (5+2s)² + 53이다. d² = 100으로 놓으면 (5+2s)² = 47이므로 s = (√(47)-5)/2 ≈ 0.93이고, 이는 실제로 0과 1 사이에 있다. 틀린 보기들도 이름으로 지울 수 있다. A는 1, 4, 7, 10번째 피트에서 북쪽으로 날고 B는 홀수 번째 피트에서 남쪽으로 나므로 보기 (B)는 7번째 피트인데 그곳은 d² = 78 < 100이다. 보기 (C)는 A 북쪽과 B 서쪽이 겹쳐야 하는데 이는 4번째와 10번째 피트이고 각각 d² = 26, 154이다. 보기 (D)는 A 위쪽과 B 남쪽이므로 9번째 피트이고 d² = 122 > 100이다. 보기 (E)는 A 위쪽과 B 서쪽이므로 6번째 또는 12번째 피트이고 각각 d² = 54, 216이다. 거리가 결코 줄지 않으므로 100을 사이에 두는 구간은 8번째 피트뿐이고, 따라서 (A)만 가능하다.
💡핵심 정리

벌 자체가 아니라 두 벌 사이의 간격을 지켜보자. 날아가는 1피트마다 간격은 넓어지기만 하고 좁아지지 않으므로 10피트가 되는 순간은 딱 한 번이고, 그것이 몇 번째 피트인지만 찾으면 된다.

  • 비행을 좌표축 위에 올리기
  • 두 반복 주기 읽어내기
  • 두 벌 대신 간격을 따라가기
  • 거리가 결코 줄지 않음 보이기
  • 정수 피트 지점에서 간격 재기
  • 10피트 순간을 한 구간에 가두기
  • 여덟 번째 피트의 방향 읽기