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

중점 y좌표 최대

문제

그림과 같이 원점 O\mathrm{O}로부터의 거리가 11인 점 P\mathrm{P}에 대하여 선분 OP\mathrm{OP}xx축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 θ\theta(π4<θ<π2)\displaystyle \left( \frac{\pi}{4} < \theta < \frac{\pi}{2} \right)라 하자. 점 P\mathrm{P}에서 직선 y=xy = x에 내린 수선의 발을 Q\mathrm{Q}라 하고, 선분 PQ\mathrm{PQ}의 중점을 M\mathrm{M}이라 하자. 점 M\mathrm{M}yy좌표가 최대일 때, tanθ\tan \theta의 값은? [4점]

θ\theta

2273\displaystyle \frac{7}{3}83\displaystyle \frac{8}{3}33103\displaystyle \frac{10}{3}

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해설

[출제의도] 삼각함수의 덧셈정리를 활용하여 문제해결하기 점 P\mathrm{P}의 좌표는 (cosθ,sinθ)\mathrm{\left( \cos \theta , \sin \theta \right)} 직선 y=xy = xxx축과 이루는 각의 크기는 π4\displaystyle \frac{\pi}{4} POQ=θπ4\displaystyle \angle \mathrm{POQ} = \theta - \frac{\pi}{4}이므로 직각삼각형 OQP\mathrm{OQP}에서 OQ=cos(θπ4)\displaystyle \overline{\mathrm{OQ}} = \cos \left( \theta - \frac{\pi}{4} \right) Q(OQcosπ4,OQsinπ4)\displaystyle \mathrm{Q} \left( {\overline{\mathrm{OQ} \mathit{}}} \cos \frac{\pi}{4} , \overline{OQ} \sin \frac{\pi}{4} \right) Q(cos(θπ4)cosπ4,cos(θπ4)sinπ4)\displaystyle \mathrm{Q} \left( \cos \left( \theta - \frac{\pi}{4} \right) \cos \frac{\pi}{4} , \cos \left( \theta - \frac{\pi}{4} \right) \sin \frac{\pi}{4} \right)이므로 점 M\mathrm{M}yy좌표는 12{sinθ+cos(θπ4)sinπ4}\displaystyle \frac{1}{2} \left\{ \sin \theta + \cos \left( \theta - \frac{\pi}{4} \right) \sin \frac{\pi}{4} \right\} =12{sinθ+(22cosθ+22sinθ)×22}\displaystyle = \frac{1}{2} \left\{ \sin \theta + \left( \frac{\sqrt{2}}{2} \cos \theta + \frac{\sqrt{2}}{2} \sin \theta \right) \times \frac{\sqrt{2}}{2} \right\} =12(32sinθ+12cosθ)\displaystyle = \frac{1}{2} \left( \frac{3}{2} \sin \theta + \frac{1}{2} \cos \theta \right) =12×102sin(θ+α)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \frac{\sqrt{10}}{2} \sin \left( \theta + \alpha \right) (\displaystyle \left( \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \end{array} \right.단, sinα=110\displaystyle \sin \alpha = \frac{1}{\sqrt{10}}, cosα=310\displaystyle \cos \alpha = \frac{3}{\sqrt{10}})\displaystyle \begin{matrix} \\ \end{matrix} ) sin(θ+α)=1\sin \left( \theta + \alpha \right) = 1, 즉 θ=π2α\displaystyle \theta = \frac{\pi}{2} - \alpha일 때 점 M\mathrm{M}yy좌표는 최댓값을 갖는다. 따라서 tanθ=tan(π2α)=cotα\displaystyle \tan \theta = \tan \left( \frac{\pi}{2} - \alpha \right) = \cot \alpha =cosαsinα=3\displaystyle = \frac{\cos \alpha}{\sin \alpha} = 3

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