그림과 같이 길이가 2인 선분 AB를 지름으로 하는 반원이 있다. 호 AB위에 두점 P,Q를 ∠PAB=θ,∠QBA=2θ가 되도록 잡고, 두 선분 AP,BQ의 교점을 R라 하자.
선분 AB위의 점 S, 선분 BR위의 점 T, 선분 AR위의 점 U를 선분 UT가 선분 AB에 평행하고 삼각형 STU가 정삼각형이 되도록 잡는다. 두 선분 AR,QR와 호 AQ로 둘러싸인 부분의 넓이를 f(θ), 삼각형 STU의 넓이를 g(θ)라 할 때,
θ→0+limθ×f(θ)g(θ)=pq3이다. p+q의 값을 구하시오.
(단, 0<θ<6π이고, p와 q는 서로소인 자연수이다.) [4점]
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해설
[출제의도] 도형의 성질을 이용하여 삼각함수의 극한값을 구할 수 있는가?
선분 AB의 중점을 M이라 하면
∠AMQ=2×∠ABQ=2×2θ=4θ이므로,
(부채꼴 AMQ의 넓이)=21×12×4θ=2θ
(삼각형 MBQ의 넓이)=21×12×sin(π−4θ)=21sin4θ
삼각형 RAB에서 ∠ARB=π−3θ이므로, 사인법칙에 의하여
sin(π−3θ)2=sinθBR
즉, BR=sin3θ2sinθ이므로,
(삼각형 RAB의 넓이)
=21×AB×BR×sin2θ=21×2×sin3θ2sinθ×sin2θ=sin3θ2sinθsin2θ
그러므로, f(θ)=2θ+21sin4θ−sin3θ2sinθsin2θ이므로,
θ→0+limθf(θ)=θ→0+lim{2+2×4θsin4θ−3×3θsin3θ4×θsinθ×2θsin2θ}=2+2−34=38⋯⋯ ㉠
정삼각형 STU의 한 변의 길이를 a라 하면 삼각형 TSB에서 사인법칙에 의하여
sin2θa=sin3πBT 즉, BT=2sin2θ3a
두 삼각형 RUT,RAB가 서로 닮음이므로,
RT:RB=UT:ABsin3θ2sinθ−2sin2θ3a:sin3θ2sinθ=a:2sin3θ2sinθa=3sin3θ4sinθ−sin2θ3a(sin3θ2sinθ+sin2θ3)a=sin3θ4sinθsin3θsin2θ2sinθsin2θ+3sin3θa=sin3θ4sinθa=sin3θ4sinθ×2sinθsin2θ+3sin3θsin3θsin2θ
이 때, g(θ)=43a2이고,
θ→0+limθa=θ→0+lim(sin3θ4sinθ×2sinθsin2θ+3sin3θsin3θsin2θ×θ1)=θ→0+lim(sin3θ4sinθ×θ2sinθsin2θ+3sin3θθ2sin3θsin2θ)=34×0+332×3=338
이므로, θ→0+limθ2g(θ)=43θ→0+lim(θa)2=43×(338)2=27163⋯⋯ ㉡
따라서, ㉠, ㉡에서
θ→0+limθ×f(θ)g(θ)=θ→0+limθf(θ)θ2g(θ)=3827163=923
이므로, p+q=9+2=11