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

반원 속 내접원 반지름 극한

문제

그림과 같이 길이가 22인 선분 AB\mathrm{AB}를 지름으로 하는 반원이 있다. 선분 AB\mathrm{AB}의 중점 O\mathrm{O}와 반원 위를 움직이는 점 C\mathrm{C}에 대하여 부채꼴 OBC\mathrm{OBC}에 내접하는 원을 O1\mathrm{O} _{1}, 현 BC\mathrm{BC}와 호 BC\mathrm{BC}로 둘러싸인 부분에 내접하는 원 중 반지름의 길이가 가장 큰 원을 O2\mathrm{O} _{2}라 하자. ABC=θ\angle \mathrm{ABC} = \theta라 하고 두 원 O1\mathrm{O} _{1}, O2\mathrm{O} _{2}의 반지름의 길이를 각각 f(θ)f ( \theta ), g(θ)g ( \theta )라 할 때, limθπ20g(θ){f(θ)}2=qp\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow \frac{\pi}{2} - 0} {\frac{g ( \theta )}{\left\{ f ( \theta ) \right\} ^{2}} = \frac{q}{p}}이다. p2+q2p ^{2} + q ^{2}의 값을 구하시오. (단, pp, qq는 서로소인 자연수이다.) [4점]

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해설

O1\mathrm{O} _{1}에서 선분 AB\mathrm{AB}에 내린 수선의 발을 F\mathrm{F}, 직선 O1O2\mathrm{O} _{1} O _{2}와 현 BC\mathrm{BC}, 호 BC\mathrm{BC}의 교점을 각각 D\mathrm{D}, E\mathrm{E}라 하자.

O1F\displaystyle \mathrm{\overline{O _{1} F}}=O1E\displaystyle = \mathrm{\overline{O _{1} E}}=f(θ)= f ( \theta ), OO1F=θ\mathrm{\angle} OO _{1} F = \theta OE=OO1+O1E\displaystyle \mathrm{\overline{OE}} = \overline{OO _{1}} + \overline{O _{1} E}=f(θ)cosθ+f(θ)\displaystyle = \frac{f ( \theta )}{\cos \theta} + f ( \theta )=1= 1 f(θ)=cosθ1+cosθ\displaystyle f \left( \theta \right) = \frac{\cos \theta}{1 + \cos \theta} OD=sinθ\displaystyle \mathrm{\overline{OD}} = \sin \theta, ED=1sinθ\displaystyle \mathrm{\overline{ED}} = 1 - \sin \theta이므로 g(θ)=1sinθ2\displaystyle g ( \theta ) = \frac{1 - \sin \theta}{2} limθπ20g(θ){f(θ)}2=limθπ201sinθ2(cosθ1+cosθ)2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow \frac{\pi}{2} - 0} {\frac{g ( \theta )}{\left\{ f ( \theta ) \right\} ^{2}}} = \lim\limits _{\theta \rightarrow \frac{\pi}{2} - 0} {\frac{\frac{1 - \sin \theta}{2}}{\left( \frac{\cos \theta}{1 + \cos \theta} \right) ^{2}}} =limθπ20(1sinθ)(1+cosθ)22cos2θ\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow \frac{\pi}{2} - 0} {\frac{( 1 - \sin \theta ) ( 1 + \cos \theta ) ^{2}}{2 \cos ^{2} \theta}} π2θ=t\displaystyle \frac{\pi}{2} - \theta = t라 하면, θ=π2t\displaystyle \theta = \frac{\pi}{2} - t이고 sinθ=sin(π2t)=cost\displaystyle \sin \theta = \sin \left( \frac{\pi}{2} - t \right) = \cos t, cosθ=cos(π2t)=sint\displaystyle \cos \theta = \cos \left( \frac{\pi}{2} - t \right) = \sin t θπ20\displaystyle \theta \rightarrow \frac{\pi}{2} - 0일때 t+0t \rightarrow + 0이다. (주어진 식) =limt+0(1cost)(1+sint)22sin2t\displaystyle = \lim\limits _{t \rightarrow + 0} {} \frac{( 1 - \cos t ) ( 1 + \sin t ) ^{2}}{2 \sin ^{2} t} =limt+0(1cost)(1+sint)22(1cos2t)\displaystyle = \lim\limits _{t \rightarrow + 0} {} \frac{( 1 - \cos t ) ( 1 + \sin t ) ^{2}}{2 \left( 1 - \cos ^{2} t \right)} =limt+0(1+sint)22(1+cost)\displaystyle = \lim\limits _{t \rightarrow + 0} {} \frac{( 1 + \sin t ) ^{2}}{2 ( 1 + \cos t )} =14=qp\displaystyle = \frac{1}{4} = \frac{q}{p} 따라서 p=4p = 4, q=1q = 1이므로 p2+q2=17p ^{2} + q ^{2} = 17이다.

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