対処用セグメントが増えた場合(2)にあるように新しいネットワークアドレスが割り当てられるため、対処用セグメントに接続されたPCは新しくDHCPサーバからIPアドレスを取得しなければ通信ができないと思うのですが、なぜ正答ではないのでしょうか？

DHCPサーバからIPアドレス取得プロセスにおいて、PCの通信相手は、DHCPサーバではなくDHCPリレーエージェントだからです。
L3SWの受信インタフェースにフィルタを適用する場合、DHCPリレーエージェントを宛先とする通信の許可設定は必要ですが、設問に他のセグメントとあるのでDHCPリレーエージェントであるL3SWは解答候補から外れます。