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

내접원 넓이 극한

문제

그림과 같이 길이가 22인 선분 AB\mathrm{AB}를 지름으로 하고 중심이 O\mathrm{O}인 반원이 있다. 호 AB\mathrm{AB} 위를 움직이는 점 P\mathrm{P}에 대하여 POB=θ\angle \mathrm{POB} = \theta일 때, 삼각형 PAO\mathrm{PAO}에 내접하는 원의 넓이를 f(θ)f ( \theta )라 하자. limθ+0f(θ)θ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{f ( \theta )}{\theta ^{2}}}의 값은? (단, 0<θ<π0 < \theta < \pi이다.) [4점]

π2\displaystyle \frac{\pi}{2}π4\displaystyle \frac{\pi}{4}π8\displaystyle \frac{\pi}{8}π16\displaystyle \frac{\pi}{16}π32\displaystyle \frac{\pi}{32}

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해설

삼각형 PAO\mathrm{PAO}에 내접하는 원의 중심을 Q\mathrm{Q}, 반지름의 길이를 rr라 하자.

AOP\triangle \mathrm{AOP}=AOQ+OPQ+PAQ= \triangle \mathrm{AOQ} + \triangle OPQ + \triangle PAQ이므로 12AOOPsin(πθ)\displaystyle \frac{1}{2} \cdot \overline{\mathrm{AO}} \cdot \mathrm{\overline{OP}} \cdot \sin \left( \pi - \theta \right)=r2AO+r2OP+r2PA\displaystyle = \frac{r}{2} \cdot \overline{\mathrm{AO}} + \frac{r}{2} \cdot \overline{\mathrm{OP}} + \frac{r}{2} \cdot \overline{\mathrm{PA}} \therefore sinθ=r(2+PA)\displaystyle \sin \theta = r \left( 2 + \overline{\mathrm{PA}} \right) … ㉠ 직각삼각형 ABP\mathrm{A} BP에서 PA=ABcosθ2=2cosθ2\displaystyle \overline{\mathrm{PA}} = \overline{\mathrm{AB}} \cos \frac{\theta}{2} = 2 \cos \frac{\theta}{2} … ㉡이므로 ㉠, ㉡에 의하여 r=sinθ2+2cosθ2\displaystyle r = \frac{\sin \theta}{2 + 2 \cos \frac{\theta}{2}}이다. 따라서 f(θ)=πr2=πsin2θ(2+2cosθ2)2\displaystyle f ( \theta ) = \pi r ^{2} = \frac{\pi \sin ^{2} \theta}{\left( 2 + 2 \cos \frac{\theta}{2} \right. ) ^{2}}이므로 limθ+0f(θ)θ2=limθ+0sin2θθ2π(2+2cosθ2)2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{f ( \theta )}{\theta ^{2}}} = \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{\sin ^{2} \theta}{\theta ^{2}}} \cdot \frac{\pi}{\left( 2 + 2 \cos \frac{\theta}{2} \right) ^{2}} =limθ+0sin2θθ2limθ+0π(2+2cosθ2)2\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{\sin ^{2} \theta}{\theta ^{2}}} \cdot \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{\pi}{\left( 2 + 2 \cos \frac{\theta}{2} \right. ) ^{2}}} =12π16\displaystyle = 1 ^{2} \cdot \frac{\pi}{16}=π16\displaystyle = \frac{\pi}{16} [다른풀이] 삼각형 PAO\mathrm{PAO}에 내접하는 원의 중심을 Q\mathrm{Q}라 하고 원 Q\mathrm{Q}와 변 AP\mathrm{AP}의 접점을 R\mathrm{R}라 하면 ORAP\displaystyle \overline{\mathrm{OR}} \perp \overline{\mathrm{AP}}, QRAP\displaystyle \overline{\mathrm{QR}} \perp \overline{\mathrm{AP}}이다. 삼각형 AOR\mathrm{AOR}에서 RAO=θ2\displaystyle \angle \mathrm{RAO} = \frac{\theta}{2}이므로 AR=OAcosθ2=cosθ2\displaystyle \overline{\mathrm{AR}} = \overline{\mathrm{OA}} \cos \frac{\theta}{2} = \cos \frac{\theta}{2} 삼각형 AQR\mathrm{AQR}에서 RAQ=θ4\displaystyle \angle \mathrm{RAQ} = \frac{\theta}{4}이므로 QR=ARtanθ4=cosθ2tanθ4\displaystyle \overline{\mathrm{QR}} = \overline{\mathrm{AR}} \tan \frac{\theta}{4} = \cos \frac{\theta}{2} \tan \frac{\theta}{4} 따라서 f(θ)=πQR2=πcos2π2tan2θ4\displaystyle f ( \theta ) = \pi \overline{\mathrm{QR}} ^{2} = \pi \cos ^{2} \frac{\pi}{2} \tan ^{2} \frac{\theta}{4}이다. \therefore limθ+0f(θ)θ2=limθ+0πcos2θ2tan2θ4θ2\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{f ( \theta )}{\theta ^{2}}} = \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{\pi \cos ^{2} \frac{\theta}{2} \tan ^{2} \frac{\theta}{4}}{\theta ^{2}}} =limθ+0πcos2θ2tan2θ4(θ4)216\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\frac{\pi \cos ^{2} \frac{\theta}{2} \tan ^{2} \frac{\theta}{4}}{\left( \frac{\theta}{4} \right) ^{2} \cdot 16}}=π16limθ+0tan2θ4(θ4)2limθ+0cos2θ2\displaystyle = \frac{\pi}{16} \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {} \frac{\tan ^{2} \frac{\theta}{4}}{\left( \frac{\theta}{4} \right) ^{2}} \lim\limits _{\theta \rightarrow + 0} {\cos ^{2} \frac{\theta}{2}} =π161212=π16\displaystyle = \frac{\pi}{16} \cdot 1 ^{2} \cdot 1 ^{2} = \frac{\pi}{16}

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