2024학년도 수능 수학 13번 풀이 | 삼각형 넓이와 사인법칙

2024학년도 수능 수학 13번은 코사인법칙으로 AC와 S1을 먼저 구하고, AD·CD=9를 삼각형 ACD의 넓이식에 넣어 sin∠ADC를 찾은 뒤 사인법칙으로 54/25를 얻는 풀이이다.

문항코드
241113
정답
①
발행

문제

2024학년도 대학수학능력시험 수학 13번 문제
2024학년도 대학수학능력시험 수학 13번 문제 조건
문제 텍스트 객관식

그림과 같이

AB‾=3,BC‾=13,AD‾×CD‾=9,∠BAC=π3\overline{AB}=3,\quad \overline{BC}=\sqrt{13},\quad \overline{AD}\times\overline{CD}=9,\quad \angle BAC=\frac{\pi}{3}

인 사각형 ABCDABCD가 있다. 삼각형 ABCABC의 넓이를 S1S_1, 삼각형 ACDACD의 넓이를 S2S_2라 하고, 삼각형 ACDACD의 외접원의 반지름의 길이를 RR이라 하자.

S2=56S1S_2=\frac{5}{6}S_1

일 때, Rsin⁡(∠ADC)\dfrac{R}{\sin(\angle ADC)}의 값은? [4점]

  1. ① 5425\dfrac{54}{25}
  2. ② 11750\dfrac{117}{50}
  3. ③ 6325\dfrac{63}{25}
  4. ④ 2710\dfrac{27}{10}
  5. ⑤ 7225\dfrac{72}{25}

정답

①

풀이

ABCABC에서 먼저 ACAC와 넓이를 정해보자

그림을 보면 사각형 ABCDABCD 안에 삼각형 ABCABC와 ACDACD가 붙어 있다.
처음 손을 댈 곳은 삼각형 ABCABC이다.
이쪽에는 AB‾=3\overline{AB}=3, BC‾=13\overline{BC}=\sqrt{13}, ∠BAC=π3\angle BAC=\dfrac{\pi}{3}가 모여 있으므로 AC‾\overline{AC}를 먼저 정할 수 있다.

AC‾=x\overline{AC}=x라 두고 삼각형 ABCABC에 코사인법칙을 쓰면

(13)2=32+x2−2⋅3⋅xcos⁡π3(\sqrt{13})^2=3^2+x^2-2\cdot3\cdot x\cos\frac{\pi}{3}

이다.
정리하면

13=9+x2−3x,x2−3x−4=013=9+x^2-3x,\qquad x^2-3x-4=0

이고, (x−4)(x+1)=0(x-4)(x+1)=0이다.
길이는 양수이므로 AC‾=4\overline{AC}=4이다.

이제 삼각형 ABCABC의 넓이는 두 변 AB‾\overline{AB}, AC‾\overline{AC}와 그 끼인각 ∠BAC\angle BAC로 계산된다.

S1=12⋅3⋅4⋅sin⁡π3=6⋅32=33S_1=\frac12\cdot3\cdot4\cdot\sin\frac{\pi}{3} =6\cdot\frac{\sqrt3}{2} =3\sqrt3

문제에서 S2=56S1S_2=\dfrac56S_1이므로

S2=56⋅33=532S_2=\frac56\cdot3\sqrt3=\frac{5\sqrt3}{2}

이다.

AD⋅CDAD\cdot CD가 들어갈 넓이식을 찾아보자

이제 삼각형 ACDACD로 넘어간다.
여기서 AD‾\overline{AD}, CD‾\overline{CD}를 각각 uu, vv처럼 놓으면 우선 uv=9uv=9만 보이고, 두 길이를 따로 정할 식은 바로 보이지 않는다.
그런데 삼각형의 넓이 공식에는 두 변의 곱과 그 끼인각의 사인이 한 덩어리로 들어간다.

아래 그림에서 파란 두 변 AD,CDAD,CD와 빨간 각 θ\theta가 오른쪽 식 박스의 AD⋅CDAD\cdot CD, sin⁡θ\sin\theta 자리로 이어진다.

삼각형 ACD에서 AD와 CD의 곱과 끼인각 theta가 넓이식 S2=1/2(AD·CD)sin theta에 들어가는 그림
AD‾⋅CD‾=9\overline{AD}\cdot\overline{CD}=9는 삼각형 ACDACD의 넓이식에 두 변의 곱으로 바로 들어간다.

θ=∠ADC\theta=\angle ADC라 하면 삼각형 ACDACD의 넓이는

S2=12⋅AD‾⋅CD‾⋅sin⁡θS_2=\frac12\cdot\overline{AD}\cdot\overline{CD}\cdot\sin\theta

이다.
여기에는 문제에서 준 AD‾⋅CD‾=9\overline{AD}\cdot\overline{CD}=9가 바로 들어간다.
따라서 S2=92sin⁡θS_2=\dfrac92\sin\theta이다.
앞에서 S2=532S_2=\dfrac{5\sqrt3}{2}였으므로

92sin⁡θ=532\frac92\sin\theta=\frac{5\sqrt3}{2}

이고, 따라서

sin⁡θ=539\sin\theta=\frac{5\sqrt3}{9}

이다.

여기서 각도 θ\theta 자체를 구한 것은 아니다.
하지만 목표식에도 sin⁡(∠ADC)\sin(\angle ADC)가 들어 있으므로, 지금 얻은 사인값이 그대로 다음 계산의 재료가 된다.

RR은 ∠ADC\angle ADC의 맞은편 변 ACAC와 연결해보자

외접원의 반지름 RR이 나오면 삼각형 ACDACD에서 확장된 사인법칙을 쓴다.
이때 ∠ADC\angle ADC의 맞은편 변은 AC‾\overline{AC}이다.

아래 그림에서는 빨간 θ\theta에서 파란 AC=4AC=4로 점선 화살표가 내려간다.
이 대응이 사인법칙의 분자 AC‾\overline{AC}를 정한다.

삼각형 ACD의 외접원에서 angle ADC의 맞은편 변 AC=4와 반지름 R을 사인법칙으로 연결하는 그림
∠ADC\angle ADC의 맞은편 변은 AC‾\overline{AC}이므로 확장된 사인법칙에서 ACsin⁡θ=2R\dfrac{AC}{\sin\theta}=2R로 연결된다.

따라서 대응은

AC‾sin⁡∠ADC=2R\frac{\overline{AC}}{\sin\angle ADC}=2R

이다.
앞에서 AC‾=4\overline{AC}=4, θ=∠ADC\theta=\angle ADC였으므로

4sin⁡θ=2R\frac{4}{\sin\theta}=2R

이고, R=2sin⁡θR=\dfrac{2}{\sin\theta}이다.

따라서 구하려는 값은

Rsin⁡θ=2sin⁡2θ\frac{R}{\sin\theta} =\frac{2}{\sin^2\theta}

이다.
sin⁡θ=539\sin\theta=\dfrac{5\sqrt3}{9}를 대입하면

Rsin⁡θ=2(539)2=27581=5425\frac{R}{\sin\theta} =\frac{2}{\left(\dfrac{5\sqrt3}{9}\right)^2} =\frac{2}{\dfrac{75}{81}} =\frac{54}{25}

이다.
따라서 정답은 ① 5425\dfrac{54}{25}이다.

발상이 갈리는 부분

앞쪽 삼각형 ABCABC에서 AC‾\overline{AC}와 S1S_1이 정해지고, 넓이 조건으로 S2S_2가 정해진다.
그 다음에는 AD‾⋅CD‾=9\overline{AD}\cdot\overline{CD}=9가 삼각형 ACDACD의 넓이 공식 안에 들어간다는 점을 잡아야 한다.

또 하나 확인할 점은 ∠ADC\angle ADC가 예각인지 둔각인지가 최종 계산을 바꾸지 않는다는 것이다.
넓이 공식도, 확장된 사인법칙도 이 문제에서는 sin⁡∠ADC\sin\angle ADC만 사용한다.
그래서 sin⁡∠ADC=539\sin\angle ADC=\dfrac{5\sqrt3}{9}를 얻은 뒤에는 그 값을 RR과 목표식에 이어 쓰면 된다.

문항코드: 241113

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