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

도형 넓이 극한

문제

그림과 같이 반지름의 길이가 11이고 중심각의 크기가 π2\displaystyle \frac{\pi}{2}인 부채꼴 OAB\mathrm{OAB}와 선분 OA\mathrm{OA}를 지름으로 하는 반원이 있다. 호 AB\mathrm{AB} 위의 점 P\mathrm{P}에 대하여 점 P\mathrm{P}에서 선분 OA\mathrm{OA}에 내린 수선의 발을 Q\mathrm{Q}, 선분 OP\mathrm{OP}와 반원의 교점 중 O\mathrm{O}가 아닌 점을 R\mathrm{R}라 하고, POA=θ\mathrm{\angle} POA = \theta라 하자. 삼각형 PRQ\mathrm{PRQ}의 넓이를 S(θ)S \left( \theta \right)라 할 때, limθ+0S(θ)θ3\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{S \left( \theta \right)}{\theta ^{3}}}의 값은? [4점]

18\displaystyle \frac{1}{8}14\displaystyle \frac{1}{4}38\displaystyle \frac{3}{8}12\displaystyle \frac{1}{2}58\displaystyle \frac{5}{8}

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해설

[출제의도] 도형의 성질과 삼각함수의 극한의 성질을 이용하여 극한값을 구한다.

PR=OPOR\displaystyle \mathrm{\overline{PR}} = {\overline{OP}} - {\overline{OR}}=1cosθ1 - \cos \theta PQ=sinθ\displaystyle \mathrm{\overline{PQ}} = \sin \theta QPR=π2θ\displaystyle \mathrm{\angle} QPR = \frac{\pi}{2} - \theta이므로 S(θ)=12×(1cosθ)×sinθ×sin(π2θ)\displaystyle S \left( \theta \right) = \frac{1}{2} \times \left( 1 - \cos \theta \right) \times \sin \theta \times \sin \left( \frac{\pi}{2} - \theta \right) =(1cosθ)sinθcosθ2\displaystyle = \frac{\left( 1 - \cos \theta \right) \sin \theta \cos \theta}{2}limθ+0S(θ)θ3\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{S \left( \theta \right)}{\theta ^{3}}}=limθ+0(1cosθ)sinθcosθ2θ3\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{\left( 1 - \cos \theta \right) \sin \theta \cos \theta}{2 \theta ^{3}}} =limθ+0sin3θcosθ2θ3(1+cosθ)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{\sin ^{3} \theta \cos \theta}{2 \theta ^{3} \left( 1 + \cos \theta \right)}}=14\displaystyle = \frac{1}{4} [다른 풀이] (삼각형 PRQ\mathrm{PRQ}의 넓이) ==(삼각형 POQ\mathrm{POQ}의 넓이)-(삼각형 ROQ\mathrm{ROQ}의 넓이) 이므로 S(θ)=12sinθcosθ12cos2θsinθ\displaystyle S \left( \theta \right) = \frac{1}{2} \sin \theta \cos \theta - \frac{1}{2} \cos ^{2} \theta \sin \theta =12sinθcosθ(1cosθ)\displaystyle = \frac{1}{2} \sin \theta \cos \theta \left( 1 - \cos \theta \right)limθ+0S(θ)θ3\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{S \left( \theta \right)}{\theta ^{3}}}=limθ+0(1cosθ)sinθcosθ2θ3\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{\left( 1 - \cos \theta \right) \sin \theta \cos \theta}{2 \theta ^{3}}} =limθ+0sin3θcosθ2θ3(1+cosθ)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{\sin ^{3} \theta \cos \theta}{2 \theta ^{3} \left( 1 + \cos \theta \right)}}=14\displaystyle = \frac{1}{4}

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