미적분Ⅱ여러 가지 미분법수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

반원 삼각형 넓이 극한

문제

그림과 같이 길이가 22인 선분 AB\mathrm{AB}를 지름으로 하는 반원이 있다. 호 AB\mathrm{AB} 위의 점 P\mathrm{P}와 선분 AB\mathrm{AB} 위의 점 C\mathrm{C}에 대하여 PAC=θ\mathrm{\angle} PAC = \theta일 때, APC=2θ\mathrm{\angle} APC = 2 \theta이다. ADC=PCD=π2\displaystyle \angle \mathrm{ADC} = \angle \mathrm{PCD} = \frac{\pi}{2}인 점 D\mathrm{D}에 대하여 두 선분 AP\mathrm{AP}CD\mathrm{CD}가 만나는 점을 E\mathrm{E}라 하자. 삼각형 DEP\mathrm{DEP}의 넓이를 S(θ)S ( \theta )라 할 때, limθ0+S(θ)θ\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{S ( \theta )}{\theta}}의 값은? (단, 0<θ<π6\displaystyle 0 < \theta < \frac{\pi}{6}) [4점]

59\displaystyle \frac{5}{9}23\displaystyle \frac{2}{3}79\displaystyle \frac{7}{9}89\displaystyle \frac{8}{9}11

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해설

[출제의도] 도형의 성질을 이용하여 삼각함수의 극한에 대한 문제를 해결한다.

두 직각삼각형 PCE\mathrm{PCE}ADE\mathrm{ADE}는 닮음이므로 EP:EA=EC:ED\displaystyle \mathrm{\overline{EP}} : {\overline{EA}} = {\overline{EC}} : {\overline{ED}}에서 EP×ED=EA×EC\displaystyle \mathrm{\overline{EP}} \times {\overline{ED}} = {\overline{EA}} \times {\overline{EC}} DEP=π2+2θ\displaystyle \mathrm{\angle} DEP = \frac{\pi}{2} + 2 \theta이므로 S(θ)S ( \theta )=12×EP×ED×sin(π2+2θ)\displaystyle = \frac{\mathrm{1}}{2} \times {\overline{EP}} \times {\overline{ED}} \times \sin \left( \frac{\pi}{2} + 2 \theta \right)=12×EA×EC×cos2θ\displaystyle = \frac{\mathrm{1}}{2} \times {\overline{EA}} \times {\overline{EC}} \times \cos 2 \theta 직각삼각형 APB\mathrm{APB}에서 AP=2cosθ\displaystyle {\overline{\mathrm{AP}}} = 2 \cos \theta 삼각형 ACP\mathrm{ACP}에서 ACP=π3θ\mathrm{\angle} ACP = \pi - 3 \theta이므로 사인법칙에 의하여 ACsin2θ=APsin(π3θ)\displaystyle \frac{{\overline{\mathrm{AC}}}}{\sin 2 \theta} = \frac{{\overline{\mathrm{AP}}}}{\sin \left( \pi - 3 \theta \right)}에서 AC=2sin2θcosθsin3θ\displaystyle \mathrm{\overline{AC}} = \frac{2 \sin 2 \theta \cos \theta}{\sin 3 \theta} 삼각형 ACE\mathrm{ACE}에서 ACE=π23θ\displaystyle \mathrm{\angle} ACE = \frac{\pi}{2} - 3 \theta, CEA=π2+2θ\displaystyle \mathrm{\angle} CEA = \frac{\pi}{2} + 2 \theta이고 사인법칙에 의하여 ECsinθ=EAsin(π23θ)=ACsin(π2+2θ)\displaystyle \frac{{\overline{\mathrm{EC}}}}{\sin \theta} = \frac{{\overline{\mathrm{EA}}}}{\sin \left( \frac{\pi}{2} - 3 \theta \right)} = \frac{{\overline{\mathrm{AC}}}}{\sin \left( \frac{\pi}{2} + 2 \theta \right)}이므로 EC=ACsinθsin(π2+2θ)=2sin2θsinθcosθsin3θcos2θ\displaystyle {\overline{\mathrm{EC}}} = \frac{{\overline{\mathrm{AC}}} \sin \theta}{\sin \left( \frac{\pi}{2} + 2 \theta \right)} = \frac{2 \sin 2 \theta \sin \theta \cos \theta}{\sin 3 \theta \cos 2 \theta} EA=ACsin(π23θ)sin(π2+2θ)=2sin2θcosθcos3θsin3θcos2θ\displaystyle {\overline{\mathrm{EA}}} = \frac{{\overline{\mathrm{AC}}} \sin \left( \frac{\pi}{2} - 3 \theta \right)}{\sin \left( \frac{\pi}{2} + 2 \theta \right)} = \frac{2 \sin 2 \theta \cos \theta \cos 3 \theta}{\sin 3 \theta \cos 2 \theta} S(θ)=2sin22θsinθcos2θcos3θsin23θcos2θ\displaystyle S \left( \theta \right) = \frac{2 \sin ^{2} 2 \theta \sin \theta \cos ^{2} \theta \cos 3 \theta}{\sin ^{2} 3 \theta \cos 2 \theta} limθ0+S(θ)θ\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{S ( \theta )}{\theta}}=limθ0+2sin22θsinθcos2θcos3θθsin23θcos2θ\displaystyle = \mathrm{\lim\limits} _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{2 \sin ^{2} 2 \theta \sin \theta \cos ^{2} \theta \cos 3 \theta}{\theta \sin ^{2} 3 \theta \cos 2 \theta}} =89limθ0+(sin2θ2θ)2(sinθθ)2(3θsin3θ)2(cos2θcos3θcos2θ)\displaystyle = \frac{8}{9} \mathrm{\lim\limits} _{\theta \rightarrow 0 +} {\left( \frac{\sin 2 \theta}{2 \theta} \right) ^{2} \left( \frac{\sin \theta}{\theta} \right) ^{2} \left( \frac{3 \theta}{\sin 3 \theta} \right) ^{2} \left( \frac{\cos ^{2} \theta \cos 3 \theta}{\cos 2 \theta} \right)} =89\displaystyle = \frac{8}{9}

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