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

삼각함수 극한 도형

문제

그림과 같이 두 점 A,BA , B를 지름의 양 끝점으로 하고, 지름의 길이가 1인 반원과 호 ABAB 위를 움직이는 점 PP가 있다. 점 PP에서 선분 ABAB에 내린 수선의 발을 QQ, 점 QQ에서 선분 APAP에 내린 수선의 발을 RR, 선분 PQPQ와 선분 RBRB의 교점을 SS라 하자. PAB=θ\angle PAB = \theta라 할 때, 삼각형 QSRQSR의 넓이를 f(θ)f ( \theta )라 하자. limθ0+f(θ)θ3\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{f ( \theta )}{\theta ^{3}}의 값은? (단, 0<θ<π2\displaystyle 0 < \theta < \frac{\pi}{2}) [4점]

18\displaystyle \frac{1}{8}14\displaystyle \frac{1}{4}12\displaystyle \frac{1}{2}12

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해설

[출제의도] 수학내적 문제해결능력-삼각함수

PAB=θ,APB=π2,AB=1\displaystyle \angle PAB = \theta , \angle APB = \frac{\pi}{2} , {\overline{AB}} = 1이므로 PB=sinθ\displaystyle {\overline{PB}} = \sin \theta BPQ=θ\angle BPQ = \theta이므로 PQ=sinθcosθ\displaystyle {\overline{PQ}} = \sin \theta \cos \theta PQR=θ\angle PQR = \theta이므로 QR=sinθcos2θ,PR=sin2θcosθ\displaystyle {\overline{QR}} = \sin \theta \cos ^{2} \theta , {\overline{PR}} = \sin ^{2} \theta \cos \theta 두 삼각형 PSBPSBQSRQSR가 서로 닮음이므로 PS:QS=PB:QR=sinθ:sinθcos2θ=1:cos2θ\displaystyle {\overline{PS}} : {\overline{QS}} = {\overline{PB}} : {\overline{QR}} = \sin \theta : \sin \theta \cos ^{2} \theta = 1 : \cos ^{2} \theta 한편, 삼각형 QPRQPR의 넓이를 T(θ)T ( \theta )라 하면 T(θ)=12×PR×QR\displaystyle T ( \theta ) = \frac{1}{2} \times {\overline{PR}} \times {\overline{QR}} =12×sin2θcosθ×sinθcos2θ\displaystyle = \frac{1}{2} \times \sin ^{2} \theta \cos \theta \times \sin \theta \cos ^{2} \theta =sin3θcos3θ2\displaystyle = \frac{\sin ^{3} \theta \cos ^{3} \theta}{2} f(θ)=T(θ)×SQPQ=T(θ)×SQPS+SQ\displaystyle f ( \theta ) = T ( \theta ) \times \frac{{\overline{SQ}}}{{\overline{PQ}}} = T ( \theta ) \times \frac{{\overline{SQ}}}{{\overline{PS}} + {\overline{SQ}}} =sin3θcos3θ2×cos2θ1+cos2θ=sin3θcos5θ2(1+cos2θ)\displaystyle = \frac{\sin ^{3} \theta \cos ^{3} \theta}{2} \times \frac{\cos ^{2} \theta}{1 + \cos ^{2} \theta} = \frac{\sin ^{3} \theta \cos ^{5} \theta}{2 ( 1 + \cos ^{2} \theta )} 따라서 limθ0+f(θ)θ3=limθ0+sin3θcos5θ2θ3(1+cos2θ)=1×12×2=14\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{f ( \theta )}{\theta ^{3}} = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\sin ^{3} \theta \cos ^{5} \theta}{2 \theta ^{3} ( 1 + \cos ^{2} \theta )} = 1 \times \frac{1}{2 \times 2} = \frac{1}{4}

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