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

도형과 삼각함수의 극한

문제

그림과 같이 중심이 O\mathrm{O}이고 길이가 22인 선분 AB\mathrm{AB}를 지름으로 하는 반원 위에 AOC=π2\displaystyle \angle {\mathrm{AOC}} = \frac{\pi}{2}인 점 C\mathrm{C}가 있다. 호 BC\mathrm{BC} 위에 점 P\mathrm{P}와 호 CA\mathrm{CA}위에 점 Q\mathrm{Q}PB=QC\displaystyle \overline{\mathrm{PB}} = \overline{\mathrm{QC}}가 되도록 잡고, 선분 AP\mathrm{AP} 위에 점 R\mathrm{R}CQR=π2\displaystyle \angle {\mathrm{CQR}} = \frac{\pi}{2}가 되도록 잡는다. 선분 AP\mathrm{AP}와 선분 CO\mathrm{CO}의 교점을 S\mathrm{S}라 하자. PAB=θ\angle {\mathrm{PAB}} = \mathrm{\theta}일 때, 삼각형 POB\mathrm{POB}의 넓이를 f(θ)f \left( \theta \right), 사각형 CQRS\mathrm{CQRS}의 넓이를 g(θ)g \left( \theta \right)라 하자. limθ0+3f(θ)2g(θ)θ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{3 f \left( \theta \right) - 2 g ( \theta )}{\theta ^{2}}의 값은? (\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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해설

[출제의도] 도형과 관련된 삼각함수의 극한값을 구할 수 있는가?

OAP=OPA=θ\angle \mathrm{OAP} = \angle \mathrm{OPA} = \theta BOP=2θ\angle \mathrm{BOP} = 2 \theta 따라서 f(θ)=12sin2θ\displaystyle f \left( \theta \right) = \frac{1}{2} \sin 2 \theta 또한, OA=1\displaystyle \overline{\mathrm{OA}} = 1에서 OS=tanθ\displaystyle \overline{\mathrm{OS}} = \tan \theta이므로 CS=1tanθ\displaystyle \overline{\mathrm{CS}} = 1 - \tan \theta 이때, BOP=COQ=2θ\angle \mathrm{BOP} = \angle \mathrm{COQ} = 2 \theta이고 삼각형 OCQ\mathrm{OCQ}는 이등변삼각형이므로 SCQ=π2θ\displaystyle \angle \mathrm{SCQ} = \frac{\pi}{2} - \theta 또한, CSR=θ+π2\displaystyle \angle \mathrm{CSR} = \theta + \frac{\pi}{2}이므로 QRS=π2\displaystyle \angle \mathrm{QRS} = \frac{\pi}{2} 따라서 점 S\mathrm{S}에서 변 CQ\mathrm{CQ}에 내린 수선의 발을 H\mathrm{H}라 하면 CSH=θ\angle \mathrm{CSH} = \theta 이므로 SH=RQ=(1tanθ)cosθ\displaystyle \overline{\mathrm{SH}} = \overline{\mathrm{RQ}} = \left( 1 - \tan \theta \right) \cos \theta CH=(1tanθ)sinθ\displaystyle \overline{\mathrm{CH}} = \left( 1 - \tan \theta \right) \sin \theta 이고 CQ=BP=2sinθ\displaystyle \overline{\mathrm{CQ}} = \overline{\mathrm{BP}} = 2 \sin \theta RS\displaystyle \overline{\mathrm{RS}}=QH=CQCH\displaystyle = \overline{\mathrm{QH}} = \overline{\mathrm{CQ}} - \overline{\mathrm{CH}} =2sinθ(sinθsinθtanθ)= 2 \sin \theta - \left( \sin \theta - \sin \theta \tan \theta \right)=sinθ+sinθtanθ= \sin \theta + \sin \theta \tan \theta 따라서 g(θ)g \left( \theta \right)=12×(CQ+RS)×QR\displaystyle = \frac{1}{2} \times \left( \overline{\mathrm{CQ}} + \overline{\mathrm{RS}} \right) \times \overline{\mathrm{QR}} =12×(2sinθ+sinθ+sinθtanθ)×(1tanθ)cosθ\displaystyle = \frac{1}{2} \times \left( 2 \sin \theta + \sin \theta + \sin \theta \tan \theta \right) \times \left( 1 - \tan \theta \right) \cos \theta =12×(3sinθ+sinθtanθ)(1tanθ)cosθ\displaystyle = \frac{1}{2} \times \left( 3 \sin \theta + \sin \theta \tan \theta \right) \left( 1 - \tan \theta \right) \cos \theta 이므로 3f(θ)2g(θ)3 f \left( \theta \right) - 2 g \left( \theta \right)=32sin2θ(3sinθ+sinθtanθ)(1tanθ)cosθ\displaystyle = \frac{3}{2} \sin 2 \theta - \left( 3 \sin \theta + \sin \theta \tan \theta \right) \left( 1 - \tan \theta \right) \cos \theta =3sinθcosθsinθcosθ(3+tanθ)(1tanθ)= 3 \sin \theta \cos \theta - \sin \theta \cos \theta \left( 3 + \tan \theta \right) \left( 1 - \tan \theta \right) =sinθcosθtanθ(tanθ+2)= \sin \theta \cos \theta \tan \theta \left( \tan \theta + 2 \right) 따라서 limθ0+3f(θ)2g(θ)θ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} {\frac{3 f \left( \theta \right) - 2 g ( \theta )}{\theta ^{2}}}=limθ0+sinθcosθtanθ(tanθ+2)θ2\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} {\frac{\sin \theta \cos \theta \tan \theta \left( \tan \theta + 2 \right)}{\theta ^{2}}} =limθ0+{sinθθ×tanθθ×cosθ×(tanθ+2)}\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} {\left\{ \frac{\sin \theta}{\theta} \times \frac{\tan \theta}{\theta} \times \cos \theta \times \left( \tan \theta + 2 \right) \right\}} =1×1×1×2=2= 1 \times 1 \times 1 \times 2 = 2

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