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

도형 넓이의 극한

문제

그림과 같이 AB=1,B=π2\displaystyle \mathrm{\overline{AB}} = 1 , \angle B = \frac{\pi}{2}인 직각삼각형 ABC\mathrm{ABC}에서 C\mathrm{\angle} C를 이등분하는 직선과 선분 AB\mathrm{AB}의 교점을 D\mathrm{D}, 중심이 A\mathrm{A}이고 반지름의 길이가 AD\displaystyle \mathrm{\overline{AD}}인 원과 선분 AC\mathrm{AC}의 교점을 E\mathrm{E}라 하자. A=θ\mathrm{\angle} A = \theta일 때, 부채꼴 ADE\mathrm{ADE}의 넓이를 S(θ),S ( \theta ) , 삼각형 BCE\mathrm{BCE}의 넓이를 T(θ)T ( \theta )라 하자. limθ0+{S(θ)}2T(θ)\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{\left\{ S ( \theta ) \right\} ^{2}}{T ( \theta )}}의 값은? [4점]

14\displaystyle \frac{1}{4}12\displaystyle \frac{1}{2}34\displaystyle \frac{3}{4}1154\displaystyle \frac{5}{4}

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해설

[출제의도] 도형의 넓이를 삼각함수로 나타내고 극한값을 구할 수 있는가? 직각삼각형 ABCABC에서 AB=1,CAB=θ\displaystyle {\overline{AB}} = 1 , \angle CAB = \theta이므로 AC=secθ,BC=tanθ\displaystyle {\overline{AC}} = \sec \theta , {\overline{BC}} = \tan \theta 이때 직선 CDCDACB\angle ACB를 이등분하므로 AD:BD=AC:BC\displaystyle {\overline{AD}} : {\overline{BD}} = {\overline{AC}} : {\overline{BC}} 즉, AD=1×secθsecθ+tanθ=11+sinθ\displaystyle {\overline{AD}} = 1 \times \frac{\sec \theta}{\sec \theta + \tan \theta} = \frac{1}{1 + \sin \theta} 이므로 S(θ)=12×(11+sinθ)2×θ=12×θ(1+sinθ)2\displaystyle S ( \theta ) = \frac{1}{2} \times \left( \frac{1}{1 + \sin \theta} \right) ^{2} \times \theta = \frac{1}{2} \times \frac{\theta}{\left( 1 + \sin \theta \right) ^{2}} 한편, CE=secθ11+sinθ\displaystyle {\overline{CE}} = \sec \theta - \frac{1}{1 + \sin \theta}이므로 T(θ)=12×tanθ×(secθ11+sinθ)×sin(π2θ)\displaystyle T ( \theta ) = \frac{1}{2} \times \tan \theta \times \left( \sec \theta - \frac{1}{1 + \sin \theta} \right) \times \sin \left( \frac{\pi}{2} - \theta \right) =12sinθ(secθ11+sinθ)\displaystyle = \frac{1}{2} \sin \theta \left( \sec \theta - \frac{1}{1 + \sin \theta} \right) 따라서 limθ0+{S(θ)}2T(θ)=limθ0+{12×θ(1+sinθ)2}212sinθ(secθ11+sinθ)\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\left\{ S ( \theta ) \right\} ^{2}}{T ( \theta )} = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\left\{ \frac{1}{2} \times \frac{\theta}{\left( 1 + \sin \theta \right) ^{2}} \right\} ^{2}}{\frac{1}{2} \sin \theta \left( \sec \theta - \frac{1}{1 + \sin \theta} \right)} =limθ0+{12×θsinθ×cosθ(1+sinθ)3×θsinθ+1cosθ}\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \left\{ \frac{1}{2} \times \frac{\theta}{\sin \theta} \times \frac{\cos \theta}{\left( 1 + \sin \theta \right) ^{3}} \times \frac{\theta}{\sin \theta + 1 - \cos \theta} \right\} =limθ0+{12×θsinθ×cosθ(1+sinθ)3×1sinθθ+1cosθθ}\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \left\{ \frac{1}{2} \times \frac{\theta}{\sin \theta} \times \frac{\cos \theta}{\left( 1 + \sin \theta \right) ^{3}} \times \frac{1}{\frac{\sin \theta}{\theta} + \frac{1 - \cos \theta}{\theta}} \right\} =12×1×11×11+0=12\displaystyle = \frac{1}{2} \times 1 \times \frac{1}{1} \times \frac{1}{1 + 0} = \frac{1}{2}

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