AMC 10 · 2013 · #24

학년 11 geometry-2d
angle-bisector-theoremsimilar-triangleslaw-of-cosinesmedian-of-triangleequilateral-triangle double-countingidentify-subproblemswork-backwards ↑ 선수 지식: similar-triangleslaw-of-cosines
📏 긴 풀이 💡 4 개 인사이트
문제
중선과 이등분선이 만나 작은 삼각형이 정삼각형이 된다. 어떤 길이의 제곱을 구하여라.

답을 골라 클릭하세요.

(A)
$\frac{10-6\sqrt{2}}{7}$
(B)
$\frac{2}{9}$
(C)
$\frac{5\sqrt{2}-3\sqrt{3}}{8}$
(D)
$\frac{\sqrt{2}}{6}$
(E)
$\frac{3\sqrt{3}-4}{5}$
풀이 과정
전략 다르게 정리하기

그림이 길이보다 각을 훨씬 많이 준다. 그러니 각부터 쫓는다. 정삼각형의 두 60° 각은 직선들이 교차하는 자리에 놓여 있어서 보각을 타고 사방으로 퍼진다. 그다음이 핵심이다. C에서의 이등분선은 각 C의 두 변을 서로 맞바꿀 수 있게 만들므로, 이등분선 한쪽에서 찾은 각은 반대쪽의 같은 각과 짝을 이룬다. 그 결과 서로 다른 두 쌍의 닮은 삼각형이 나오고, 두 쌍 모두 똑같은 비 CX/CN을 재고 있다. 하나의 양을 두 가지 방식으로 쓰고 그 두 식을 같다고 놓는 것이 BC를 확정짓는다. 그 뒤에는 코사인법칙 한 번으로 끝난다.

1STEP 1

두 개의 60도 각을 퍼뜨리기

정삼각형 꼭짓점이 아는 각을 퍼뜨린다.

∠ BXC = 120°, ∠ MXC = 60°, ∠ BNC = 60°, ∠ ANC = 120°
2STEP 2

이등분선을 사이에 두고 60도 각끼리 짝짓기

한 짝이 닮은 삼각형 한 쌍을 준다.

△ CXM ∼ △ CNB → CX/CN = CM/CB = 1/BC
3STEP 3

120도 각끼리도 같은 방식으로 짝짓기

다른 짝이 또 한 쌍을 준다.

△ CXB ∼ △ CNA → CX/CN = CB/CA = BC/2
4STEP 4

같은 비를 두 가지 방법으로 재기

같은 비를 두 번 재면 이 정해진다.

1/BC = CX/CN = BC/2 → BC² = 2 → BC = √(2)
5STEP 5

비를 길이로 바꾸기

그 비가 길이로 바뀐다.

XN = CN - CX = (√(2)-1) CX = BX → CX = BX/(√(2)-1) = (√(2)+1) BX
6STEP 6

코사인법칙으로 삼각형 BXC 닫기

코사인법칙이 그것을 닫는다, 보기 (E).

2 = BC² = b²(1 + (√(2)+1)² + (√(2)+1)) = (5+3√(2)) b² → BX² = 2/(5+3√(2)) = (10-6√(2))/7
정답
(10-6√(2))/7
위의 모든 단계는 '그런 삼각형이 존재한다면 반드시 이래야 한다'만 말한다. 그러므로 내부 정합성 확인이 아니라 존재 확인이 필요하다. 거꾸로 만들어 보자. AC = 2, BC = √(2), 그리고 BX = √((10-6√(2))/7) ≈ 0.46518일 때 AB = BN + NA = (1+√(2))BX ≈ 1.12303이다. 1.41421 + 1.12303 > 2이므로 삼각부등식을 만족한다. C = (0,0), A = (2,0)으로 놓으면 B ≈ (1.18463, 0.77243)이고, M = (1,0), AN/NB = CA/CB를 만족하는 점은 N ≈ (1.52237, 0.45247), 그리고 BM ∩ CN은 X ≈ (1.07650, 0.31991)이다. △ BXN의 세 변을 재면 BX = XN = NB ≈ 0.465176으로, 실제로 정삼각형이 되고 CN은 각 C를 각각 16.55°인 두 각으로 정확히 이등분하며 X는 두 선분 내부에 놓인다. 따라서 주어진 성질을 모두 갖는 삼각형이 실제로 존재하고 답이 공허하지 않다. 추가 확인 두 가지도 맞아떨어진다. 중선 공식은 BM² = (2AB² + 2BC² - AC²)/4 ≈ 0.63069를 주어 BM = BX + XM ≈ 0.79417과 일치하고, 삼각형 BCM 안에서 각 BCM의 이등분선이 요구하는 대로 BX/XM = √(2) = BC/CM이 성립한다. 수치로 (10-6√(2))/7 ≈ 0.2164는 다섯 선택지 중 가장 작고 나머지 넷은 0.222와 0.240 사이에 몰려 있는데, 그래서 이 문제는 정확한 계산으로만 갈린다.
💡핵심 정리

각의 이등분선은 각의 두 변을 서로 맞바꿀 수 있게 만들어서, 짝이 맞는 각 하나마다 닮은 삼각형 한 쌍이 생긴다. 서로 다른 두 쌍으로 같은 비를 재고 두 결과를 같다고 놓으면, 삼각형은 더 이상 숨을 곳이 없다.

  • 두 개의 60도 각을 퍼뜨리기
  • 이등분선을 사이에 두고 60도 각끼리 짝짓기
  • 120도 각끼리도 같은 방식으로 짝짓기
  • 같은 비를 두 가지 방법으로 재기
  • 비를 길이로 바꾸기
  • 코사인법칙으로 삼각형 BXC 닫기