미적분Ⅱ여러 가지 미분법수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

내접원 반지름 극한

문제

그림과 같이 중심이 원점 O\mathrm{O}이고 반지름의 길이가 11인 원 CC가 있다. 원 CCxx축의 양의 방향과 만나는 점을 A\mathrm{A}, 원 CC 위에 있고 제11사분면에 있는 점 P\mathrm{P}에서 xx축에 내린 수선의 발을 H\mathrm{H}, POA=θ\angle \mathrm{P} OA = \theta라 하자. 삼각형 APH\mathrm{A} PH에 내접하는 원의 반지름의 길이를 r(θ)r ( \theta )라 할 때, limθ0+r(θ)θ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{r ( \theta )}{\theta ^{2}}}의 값은? [4점]

110\displaystyle \frac{1}{10}18\displaystyle \frac{1}{8}16\displaystyle \frac{1}{6}14\displaystyle \frac{1}{4}12\displaystyle \frac{1}{2}

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해설

[출제의도] 삼각형과 내접원의 성질을 이용하여 삼각함수의 극한 문제를 해결한다. 삼각형 OAP\mathrm{OAP}가 이등변삼각형이므로 OAP=OPA=π2θ2\displaystyle \mathrm{\angle} OAP = \angle OPA = \frac{\pi}{2} - \frac{\theta}{2}이고 삼각형 APH\mathrm{APH}에서 APH+PAH=π2\displaystyle \mathrm{\angle} APH + \angle PAH = \frac{\pi}{2}이므로 APH=θ2\displaystyle \mathrm{\angle} APH = \frac{\theta}{2}이다. 내접원의 중심을 Q\mathrm{Q}라 하고, 내접원과 선분 PH\mathrm{PH}의 교점을 T\mathrm{T}라 하면 QPT=θ4\displaystyle \mathrm{\angle} QPT = \frac{\theta}{4}이다.

PH=sinθ\displaystyle \mathrm{\overline{PH}} = \sin \theta이므로 삼각형 QPT\mathrm{QPT}에서 tanθ4=QTPT=r(θ)sinθr(θ)\displaystyle \tan \frac{\theta}{4} = \frac{\mathrm{\overline{QT}}}{\overline{PT}} = \frac{\mathit{r ( \theta )}}{\sin \theta - r ( \theta )} (1+tanθ4)r(θ)=sinθtanθ4\displaystyle \left( 1 + \tan \frac{\theta}{4} \right) r ( \theta ) = \sin \theta \tan \frac{\theta}{4} 이므로 r(θ)=sinθtanθ41+tanθ4\displaystyle r ( \theta ) = \frac{\sin \theta \tan \frac{\theta}{4}}{1 + \tan \frac{\theta}{4}} 따라서 limθ0+r(θ)θ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{r ( \theta )}{\theta ^{2}}=limθ0+sinθtanθ4θ2(1+tanθ4)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \frac{\sin \theta \tan \frac{\theta}{4}}{\theta ^{2} \left( 1 + \tan \frac{\theta}{4} \right)} =limθ0+{sinθθ×tanθ4θ4×14×1(1+tanθ4)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \left\{ \frac{\sin \theta}{\theta} \times \frac{\tan \frac{\theta}{4}}{\frac{\theta}{4}} \times \frac{1}{4} \times \frac{1}{\left( {1 + \tan \frac{\theta}{4} )} \right.} \right. =1×1×14×1=14\displaystyle = 1 \times 1 \times \frac{1}{4} \times 1 = \frac{1}{4} [다른풀이] 내접원의 반지름의 길이를 r(θ)r ( \theta )라 하면 APH\triangle \mathrm{A} PH=12×\displaystyle = \frac{1}{2} \times(APH\triangle \mathrm{A} PH의 둘레의 길이)×r(θ)\times r ( \theta ) APH\triangle \mathrm{A} PH=12r(θ)(PH+AH+AP)\displaystyle = \frac{1}{2} r ( \theta ) \left( \overline{\mathrm{P}} H + \overline{AH} + \overline{AP} \right) =12×AH×PH\displaystyle \mathrm{=} \frac{1}{2} \times \overline{AH} \times \overline{PH} 따라서 sinθ+(1cosθ)+2sinθ22×r(θ)\displaystyle \frac{\sin \theta + ( 1 - \cos \theta ) + 2 \sin \frac{\theta}{2}}{2} \times r ( \theta ) =12sinθ×(1cosθ)\displaystyle = \frac{1}{2} \sin \theta \times ( 1 - \cos \theta ) 12(2sinθ2cosθ2+2sin2θ2+2sinθ2)r(θ)\displaystyle \frac{1}{2} \left( 2 \sin \frac{\theta}{2} \cos \frac{\theta}{2} + 2 \sin ^{2} \frac{\theta}{2} + 2 \sin \frac{\theta}{2} \right) r ( \theta ) =12×2sinθ2cosθ2(1cosθ)\displaystyle = \frac{1}{2} \times 2 \sin \frac{\theta}{2} \cos \frac{\theta}{2} ( 1 - \cos \theta ) 따라서 (cosθ2+sinθ2+1)r(θ)=(1cosθ)cosθ2\displaystyle \left( {\cos \frac{\theta}{2} + \sin \frac{\theta}{2} + 1} \right) r ( \theta ) = {( 1 - \cos \theta ) \cos \frac{\theta}{2}} r(θ)=(1cosθ)cosθ21+cosθ2+sinθ2\displaystyle r ( \theta ) = \frac{( 1 - \cos \theta ) \cos \frac{\theta}{2}}{1 + \cos \frac{\theta}{2} + \sin \frac{\theta}{2}} 이므로 limθ0+r(θ)θ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{r ( \theta )}{\theta ^{2}}=limθ0+(1cosθ)cosθ2θ2(1+cosθ2+sinθ2)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \frac{( 1 - \cos \theta ) \cos \frac{\theta}{2}}{\theta ^{2} \left( 1 + \cos \frac{\theta}{2} + \sin \frac{\theta}{2} \right)} =limθ0+{cosθ21+cosθ2+sinθ2×sin2θθ2×11+cosθ}\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} \left\{ \frac{\cos \frac{\theta}{2}}{1 + \cos \frac{\theta}{2} + \sin \frac{\theta}{2}} \times \frac{\sin ^{2} \theta}{\theta ^{2}} \times \frac{1}{1 + \cos \theta} \right\} =11+1+0×12×11+1\displaystyle = \frac{1}{1 + 1 + 0} \times 1 ^{2} \times \frac{1}{1 + 1}=14\displaystyle = \frac{1}{4}

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