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

부채꼴 속 삼각형 넓이 극한

문제

그림과 같이 반지름의 길이가 11이고 중심각의 크기가 π2\displaystyle \frac{\pi}{2}인 부채꼴 OAB\mathrm{OAB}가 있다. 호 AB\mathrm{AB} 위의 점 P\mathrm{P}에서 선분 OA\mathrm{OA}에 내린 수선의 발을 H\mathrm{H}라 하고, OAP\angle {\mathrm{OAP}}를 이등분하는 직선과 세 선분 HP\mathrm{HP}, OP\mathrm{OP}, OB\mathrm{OB}의 교점을 각각 Q,R,S\mathrm{Q} , R , S라 하자. APH=θ\angle {\mathrm{APH}} = \theta일 때, 삼각형 AQH\mathrm{AQH}의 넓이를 f(θ)f \left( \theta \right), 삼각형 PSR\mathrm{PSR}의 넓이를 g(θ)g \left( \theta \right)라 하자. limθ0+θ3×g(θ)f(θ)=k\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{\theta ^{3} \times g \left( \theta \right)}{f \left( \theta \right)}} = k일 때, 100k100 k의 값을 구하시오. (\displaystyle \left( \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \end{array} \right.단, 0<θ<π4)\displaystyle 0 < \theta < \frac{\pi}{4} ) [4점]

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50

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해설

[출제의도] 도형에 활용된 삼각함수의 극한값을 구할 수 있는가? 직각삼각형 AHP\mathrm{AHP}에서 APH=θ\angle {\mathrm{APH}} = \theta이므로 HAP=π2θ\displaystyle \angle {\mathrm{HAP}} = \frac{\pi}{2} - \theta 한편, 삼각형 OPA\mathrm{OPA}OP=OA=1\displaystyle \overline{\mathrm{OP}} = \overline{\mathrm{OA}} = 1인 이등변삼각형이므로 AOP\angle {\mathrm{AOP}}=π2×HAP= \pi - 2 \times \angle {\mathrm{HAP}}=π2×(π2θ)\displaystyle = \pi - 2 \times \left( \frac{\pi}{2} - \theta \right)=2θ= 2 \theta 그러므로 AH\displaystyle \overline{\mathrm{AH}}=1OH\displaystyle = 1 - \overline{\mathrm{OH}}=1OPcos2θ\displaystyle = 1 - \overline{\mathrm{OP}} \cos 2 \theta=1cos2θ= 1 - \cos 2 \theta \cdots \cdots ㉠ 또, HAQ\angle {\mathrm{HAQ}}=π4θ2\displaystyle = \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2}이므로 f(θ)f ( \theta )=12AH2tan(π4θ2)\displaystyle = \frac{1}{2} {\overline{\mathrm{AH}}} ^{2} \tan \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) =12×(1cos2θ)2×tan(π4θ2)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \left( 1 - \cos 2 \theta \right) ^{2} \times \tan \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) =12×sin42θ(1+cos2θ)2×tan(π4θ2)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \frac{\sin ^{4} 2 \theta}{\left( 1 + \cos 2 \theta \right) ^{2}} \times \tan \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) 그러므로 limθ0f(θ)θ4\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 -} {\frac{f \left( \theta \right)}{\theta ^{4}}} =12×16limθ0+(sin2θ2θ)4×limθ0+1(1+cos2θ)2\displaystyle = \frac{1}{2} \times 16 \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\left( \frac{\sin 2 \theta}{2 \theta} \right)} ^{4} \times \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{1}{\left( 1 + \cos 2 \theta \right) ^{2}}}×limθ0+tan(π4θ2)\displaystyle \times \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\tan \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right)} =12×16×12×14×1\displaystyle = \frac{1}{2} \times 16 \times 1 ^{2} \times \frac{1}{4} \times 1 =2= 2 \cdots \cdots ㉢ 한편, 이등변삼각형 OPA\mathrm{OPA}에서 점 O\mathrm{O}에서 선분 PA\mathrm{PA}에 내린 수선의 발을 H\mathrm{H}'이라 하면 ㉠에서 HOP=θ\angle {\mathrm{H}' OP} = \theta이므로 AP\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}=2PH\displaystyle = 2 \overline{\mathrm{PH}'}=2×OP×sinθ\displaystyle = 2 \times \overline{\mathrm{OP}} \times \sin \theta=2sinθ= 2 \sin \theta 삼각형 AOP\mathrm{AOP}에서 각의 이등분선이 선분 OP\mathrm{OP}와 만나는 점이 R\mathrm{R}이므로 AO:AP=OR:RP\displaystyle \overline{\mathrm{AO}} : \overline{\mathrm{AP}} = \overline{\mathrm{OR}} : \overline{\mathrm{RP}} 1:2sinθ=OR:1OR\displaystyle 1 : 2 \sin \theta = \overline{\mathrm{OR}} : 1 - \overline{\mathrm{OR}} 2sinθ×OR=1OR\displaystyle 2 \sin \theta \times \overline{\mathrm{OR}} = 1 - \overline{\mathrm{OR}} OR=11+2sinθ\displaystyle \overline{\mathrm{OR}} = \frac{1}{1 + 2 \sin \theta} \cdots \cdots ㉣ 또, OS\displaystyle \overline{\mathrm{OS}}=OAtan(SAO)\displaystyle = \overline{\mathrm{OA}} \tan \left( \angle {\mathrm{SAO}} \right)=1×tan(π4θ2)\displaystyle = 1 \times \tan \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right)=tan(π4θ2)\displaystyle = \tan \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) \cdots \cdots ㉤ ㉣과 ㉤에서 g(θ)g \left( \theta \right)=OSPOSR= \triangle {\mathrm{OSP}} - \triangle {\mathrm{OSR}} =12×OS×OPsin(POS)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{OS}} \times \overline{\mathrm{OP}} \sin \left( \angle {\mathrm{POS}} \right) =12×OS×OR×sin(POS)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{OS}} \times \overline{\mathrm{OR}} \times \sin \left( \angle {\mathrm{POS}} \right) =12×OS×sin(POS)×(OPOR)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{OS}} \times \sin \left( \angle {\mathrm{POS}} \right) \times \left( \overline{\mathrm{OP}} - \overline{\mathrm{OR}} \right) =12×tan(π4θ2)×sin(π22θ)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \tan \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) \times \sin \left( \frac{\pi}{2} - 2 \theta \right)×(112sinθ+1)\displaystyle \times \left( 1 - \frac{1}{2 \sin \theta + 1} \right) =12×tan(π4θ2)×sin(π22θ)×2sinθ2sinθ+1\displaystyle = \frac{1}{2} \times \tan \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) \times \sin \left( \frac{\pi}{2} - 2 \theta \right) \times \frac{2 \sin \theta}{2 \sin \theta + 1} 그러므로 limθ0+g(θ)θ\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{g \left( \theta \right)}{\theta}}=12×limθ0+tan(π4θ2)×limθ0+sin(π22θ)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\tan \left( \frac{\pi}{4} - \frac{\theta}{2} \right) \times \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\sin \left( \frac{\pi}{2} - 2 \theta \right)}} ×2limθ0+sinθθ×limθ0+12sinθ+1\displaystyle \times 2 \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{\sin \theta}{\theta}} \times \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{1}{2 \sin \theta + 1}} =12×1×1×2×1×1\displaystyle = \frac{1}{2} \times 1 \times 1 \times 2 \times 1 \times 1=1= 1 \cdots \cdots ㉥ 따라서, ㉢과 ㉥을 이용하면 limθ0+θ3×g(θ)f(θ)\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{\theta ^{3} \times g \left( \theta \right)}{f \left( \theta \right)}}=limθ0+g(θ)θf(θ)θ4\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{\frac{g \left( \theta \right)}{\theta}}{\frac{f \left( \theta \right)}{\theta ^{4}}}}=12\displaystyle = \frac{1}{2} 이므로 100k=100×12=50\displaystyle 100 k = 100 \times \frac{1}{2} = 50

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