미적분Ⅱ여러 가지 미분법수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

반원 속 정삼각형 넓이 극한

문제

그림과 같이 길이가 22인 선분 AB\mathrm{AB}를 지름으로 하는 반원이 있다. 호 AB\mathrm{AB}위에 두점 P,Q\mathrm{P} , QPAB=θ,QBA=2θ\mathrm{\angle} PAB = \theta , \mathrm{\angle} QBA = 2 \theta가 되도록 잡고, 두 선분 AP,BQ\mathrm{AP} , BQ의 교점을 R\mathrm{R}라 하자. 선분 AB\mathrm{AB}위의 점 S\mathrm{S}, 선분 BR\mathrm{BR}위의 점 T\mathrm{T}, 선분 AR\mathrm{AR}위의 점 U\mathrm{U}를 선분 UT\mathrm{UT}가 선분 AB\mathrm{AB}에 평행하고 삼각형 STU\mathrm{STU}가 정삼각형이 되도록 잡는다. 두 선분 AR,QR\mathrm{AR} , QR와 호 AQ\mathrm{AQ}로 둘러싸인 부분의 넓이를 f(θ)f \left( \theta \right), 삼각형 STU\mathrm{STU}의 넓이를 g(θ)g \left( \theta \right)라 할 때, limθ0+g(θ)θ×f(θ)=qp3\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{g \left( \theta \right)}{\theta \times f \left( \theta \right)} = \frac{q}{p} \sqrt{3}}이다. p+qp + q의 값을 구하시오. (단, 0<θ<π6\displaystyle 0 < \theta < \frac{\pi}{6}이고, ppqq는 서로소인 자연수이다.) [4점]

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해설

[출제의도] 도형의 성질을 이용하여 삼각함수의 극한값을 구할 수 있는가? 선분 AB\mathrm{A} B의 중점을 M\mathrm{M}이라 하면 AMQ\angle \mathrm{AMQ}=2×ABQ= 2 \times \angle \mathrm{ABQ}=2×2θ= 2 \times 2 \theta=4θ= 4 \theta이므로, (부채꼴 AMQ\mathrm{A} MQ의 넓이)=12×12×4θ\displaystyle = \frac{1}{2} \times 1 ^{2} \times 4 \theta=2θ= 2 \theta (삼각형 MBQ\mathrm{M} BQ의 넓이)=12×12×sin(π4θ)\displaystyle = \frac{1}{2} \times 1 ^{2} \times \sin ( \pi - 4 \theta )=12sin4θ\displaystyle = \frac{1}{2} \sin 4 \theta 삼각형 RAB\mathrm{R} AB에서 ARB=π3θ\angle \mathrm{ARB} = \pi - 3 \theta이므로, 사인법칙에 의하여 2sin(π3θ)=BRsinθ\displaystyle \frac{2}{\sin ( \pi - 3 \theta )} = \frac{\overline{\mathrm{BR}}}{\sin \theta} 즉, BR=2sinθsin3θ\displaystyle \overline{\mathrm{BR}} = \frac{2 \sin \theta}{\sin 3 \theta}이므로, (삼각형 RAB\mathrm{R} AB의 넓이) =12×AB×BR×sin2θ\displaystyle = \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{AB}} \times \overline{\mathrm{BR}} \times \sin 2 \theta =12×2×2sinθsin3θ×sin2θ\displaystyle = \frac{1}{2} \times 2 \times \frac{2 \sin \theta}{\sin 3 \theta} \times \sin 2 \theta =2sinθsin2θsin3θ\displaystyle = \frac{2 \sin \theta \sin 2 \theta}{\sin 3 \theta} 그러므로, f(θ)f ( \theta )=2θ+12sin4θ2sinθsin2θsin3θ\displaystyle = 2 \theta + \frac{1}{2} \sin 4 \theta - \frac{2 \sin \theta \sin 2 \theta}{\sin 3 \theta}이므로, limθ0+f(θ)θ\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \frac{f ( \theta )}{\theta} =limθ0+{2+2×sin4θ4θ4×sinθθ×sin2θ2θ3×sin3θ3θ}\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \left\{ 2 + 2 \times \frac{\sin 4 \theta}{4 \theta} - \frac{4 \times \frac{\sin \theta}{\theta} \times \frac{\sin 2 \theta}{2 \theta}}{3 \times \frac{\sin 3 \theta}{3 \theta}} \right\} =2+243\displaystyle = 2 + 2 - \frac{4}{3}=83\displaystyle = \frac{8}{3} \cdots \cdots

정삼각형 STU\mathrm{S} TU의 한 변의 길이를 aa라 하면 삼각형 TSB\mathrm{T} SB에서 사인법칙에 의하여 asin2θ=BTsinπ3\displaystyle \frac{a}{\sin 2 \theta} = {\frac{\overline{\mathrm{BT}}}{\sin {\frac{\pi}{3}}}} 즉, BT\displaystyle \overline{\mathrm{BT}}=3a2sin2θ\displaystyle = \frac{\sqrt{3} a}{2 \sin 2 \theta} 두 삼각형 RUT,RAB\mathrm{R} UT , RAB가 서로 닮음이므로, RT:RB=UT:AB\displaystyle \mathrm{\overline{RT}} : \overline{RB} = \overline{UT} : \overline{AB} 2sinθsin3θ3a2sin2θ:2sinθsin3θ=a:2\displaystyle \frac{2 \sin \theta}{\sin 3 \theta} - \frac{\sqrt{3} a}{2 \sin 2 \theta} : \frac{2 \sin \theta}{\sin 3 \theta} = a : 2 2sinθsin3θa=4sinθ3sin3θ3sin2θa\displaystyle \frac{2 \sin \theta}{\sin 3 \theta} a = \frac{4 \sin \theta}{3 \sin 3 \theta} - \frac{\sqrt{3}}{\sin 2 \theta} a (2sinθsin3θ+3sin2θ)a=4sinθsin3θ\displaystyle \left( \frac{2 \sin \theta}{\sin 3 \theta} + \frac{\sqrt{3}}{\sin 2 \theta} \right) a = \frac{4 \sin \theta}{\sin 3 \theta} 2sinθsin2θ+3sin3θsin3θsin2θa=4sinθsin3θ\displaystyle \frac{2 \sin \theta \sin 2 \theta + \sqrt{3} \sin 3 \theta}{\sin 3 \theta \sin 2 \theta} a = \frac{4 \sin \theta}{\sin 3 \theta} aa=4sinθsin3θ×sin3θsin2θ2sinθsin2θ+3sin3θ\displaystyle = \frac{4 \sin \theta}{\sin 3 \theta} \times \frac{\sin 3 \theta \sin 2 \theta}{2 \sin \theta \sin 2 \theta + \sqrt{3} \sin 3 \theta} 이 때, g(θ)=34a2\displaystyle g ( \theta ) = \frac{\sqrt{3}}{4} a ^{2}이고, limθ0+aθ\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \frac{a}{\theta} =limθ0+(4sinθsin3θ×sin3θsin2θ2sinθsin2θ+3sin3θ×1θ)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \left( \frac{4 \sin \theta}{\sin 3 \theta} \times \frac{\sin 3 \theta \sin 2 \theta}{2 \sin \theta \sin 2 \theta + \sqrt{3} \sin 3 \theta} \times \frac{1}{\theta} \right) =limθ0+(4sinθsin3θ×sin3θsin2θθ22sinθsin2θ+3sin3θθ)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \left( \frac{4 \sin \theta}{\sin 3 \theta} \times \frac{\frac{\sin 3 \theta \sin 2 \theta}{\theta ^{2}}}{\frac{2 \sin \theta \sin 2 \theta + \sqrt{3} \sin 3 \theta}{\theta}} \right) =43×2×30+33\displaystyle = \frac{4}{3} \times \frac{2 \times 3}{0 + 3 \sqrt{3}}=833\displaystyle = \frac{8}{3 \sqrt{3}} 이므로, limθ0+g(θ)θ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \frac{g ( \theta )}{\theta ^{2}}=34limθ0+(aθ)2\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \left( \frac{a}{\theta} \right) ^{2} =34×(833)2\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \times \left( \frac{8}{3 \sqrt{3}} \right) ^{2} =16327\displaystyle = \frac{16 \sqrt{3}}{27} \cdots \cdots ㉡ 따라서, ㉠, ㉡에서 limθ0+g(θ)θ×f(θ)\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \frac{g ( \theta )}{\theta \times f ( \theta )}=limθ0+g(θ)θ2f(θ)θ\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \frac{\frac{g ( \theta )}{\theta ^{2}}}{\frac{f ( \theta )}{\theta}} =1632783\displaystyle = \frac{\frac{16 \sqrt{3}}{27}}{\frac{8}{3}} =293\displaystyle = \frac{2}{9} \sqrt{3} 이므로, p+qp + q=9+2= 9 + 2=11= 11

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