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

각 삼등분 넓이 극한

문제

그림과 같이 길이가 11인 선분 AB\mathrm{AB}를 지름으로 하는 반원 위의 점 P\mathrm{P}에 대하여 ABP\mathrm{\angle} \mathrm{ABP}를 삼등분하는 두 직선이 선분 AP\mathrm{AP}와 만나는 점을 각각 Q\mathrm{Q}, R\mathrm{R}라 하자. PAB=θ\mathrm{\angle} PAB = \theta일 때, 삼각형 BRQ\mathrm{BRQ}의 넓이를 S(θ)S ( \theta )라 하자. limθ0+S(θ)θ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{S ( \theta )}{\theta ^{2}}의 값은? (단, 0<θ<π2\displaystyle 0 < \theta < \frac{\pi}{2}) [4점]

13\displaystyle \frac{1}{3}33\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{3}113\displaystyle \sqrt{3}33

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해설

[출제의도] 삼각함수의 성질을 이용하여 삼각함수의 극한값을 구한다. BPA=π2\displaystyle \mathrm{\angle} BPA = \frac{\pi}{2}이므로 QBR\angle \mathrm{QBR}=α= \alpha라 하면 3α3 \alpha=π2θ\displaystyle = \frac{\pi}{2} - \theta α=π6θ3\displaystyle \alpha = \frac{\pi}{6} - \frac{\theta}{3} BP\displaystyle \mathrm{\overline{\mathrm{BP}}}=sinθ= \sin \theta이므로 PQ\displaystyle \overline{\mathrm{PQ}}=sinθtan2α= \sin \theta \tan 2 \alpha PR\displaystyle \overline{\mathrm{PR}}=sinθtanα= \sin \theta \tan \alpha 이다. 따라서 S(θ)S ( \theta )=12×BP×PQ12×BP×PR\displaystyle = \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{BP}} \times \overline{\mathrm{PQ}} - \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{BP}} \times \overline{\mathrm{PR}} =12sin2θ(tan2αtanα)\displaystyle = \frac{1}{2} \sin ^{2} \theta \left( \tan 2 \alpha - \tan \alpha \right) =12sin2θ{tan(π323θ)tan(π6θ3)}\displaystyle = \frac{1}{2} \sin ^{2} \theta \left\{ \tan \left( \frac{\pi}{3} - \frac{2}{3} \theta \right) - \tan \left( \frac{\pi}{6} - \frac{\theta}{3} \right) \right\} limθ0+sin2θθ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\sin ^{2} \theta}{\theta ^{2}}=limθ0+(sinθθ)2\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \left( \frac{\sin \theta}{\theta} \right) ^{2}=1= 1이므로 limθ0+S(θ)θ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{S ( \theta )}{\theta ^{2}}=12limθ0+sin2θθ2{tan(π323θ)tan(π6θ3)}\displaystyle = \frac{1}{2} \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\sin ^{2} \theta}{\theta ^{2}} \left\{ \tan \left( \frac{\pi}{3} - \frac{2}{3} \theta \right) - \tan \left( \frac{\pi}{6} - \frac{\theta}{3} \right) \right\} =12(tanπ3tanπ6)\displaystyle = \frac{1}{2} \left( \tan \frac{\pi}{3} - \tan \frac{\pi}{6} \right) =12(333)\displaystyle = \frac{1}{2} \left( \sqrt{3} - \frac{\sqrt{3}}{3} \right) =12×233\displaystyle = \frac{1}{2} \times \frac{2 \sqrt{3}}{3} =33\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{3}

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