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

삼각형 넓이 비 극한

문제

그림과 같이 AB=1{\mathrm{AB}} = 1, BC=2{\mathrm{BC}} = 2인 삼각형 ABC{\mathrm{ABC}}에 대하여 선분 AC{\mathrm{AC}}의 중점을 M{\mathrm{M}}이라 하고, 점 M{\mathrm{M}}을 지나고 선분 AB{\mathrm{AB}}에 평행한 직선이 선분 BC{\mathrm{BC}}와 만나는 점을 D{\mathrm{D}}라 하자. BAC\angle {\mathrm{BAC}}의 이등분선이 두 직선 BC{\mathrm{BC}}, DM{\mathrm{DM}}과 만나는 점을 각각 E{\mathrm{E}}, F{\mathrm{F}}라 하자. CBA=θ\angle {\mathrm{CBA}} = \theta일 때, 삼각형 ABE{\mathrm{ABE}}의 넓이를 f(θ)f ( \theta ), 삼각형 DFC{\mathrm{DFC}}의 넓이를 g(θ)g ( \theta )라 하자. limθ0+g(θ)θ2×f(θ)\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{g ( \theta )}{\theta ^{2} \times f ( \theta )}의 값은? (단, 0<θ<π0 < \theta < \pi) [4점] 18\displaystyle \frac{1}{8}14\displaystyle \frac{1}{4}12\displaystyle \frac{1}{2}1122

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해설

[출제의도] 삼각형의 성질을 이용하여 삼각함수의 극한에 대한 문제를 해결한다. 삼각형 ABC{\mathrm{ABC}}에서 코사인법칙에 의하여 AC2\displaystyle {\overline{\mathrm{AC}}} ^{2}=12+222×1×2×cosθ= 1 ^{2} + 2 ^{2} - 2 \times 1 \times 2 \times \cos \theta=54cosθ= 5 - 4 \cos \theta 이므로 AC=54cosθ\displaystyle \overline{\mathrm{AC}} = \sqrt{5 - 4 \cos \theta} 직선 AE{\mathrm{AE}}BAC\angle {\mathrm{BAC}}의 이등분선이므로 BE:CE\displaystyle \overline{\mathrm{BE}} : \overline{\mathrm{CE}}=AB:AC\displaystyle = \overline{\mathrm{AB}} : \overline{\mathrm{AC}}=1:54cosθ\displaystyle = 1 : \sqrt{5 - 4 \cos \theta}에서 BE\displaystyle \overline{\mathrm{BE}}=11+54cosθ×BC\displaystyle = \frac{1}{1 + \sqrt{5 - 4 \cos \theta}} \times \overline{\mathrm{BC}}=21+54cosθ\displaystyle = \frac{2}{1 + \sqrt{5 - 4 \cos \theta}} 그러므로 f(θ)f ( \theta )=12×AB×BE×sin(CBA)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{AB}} \times \overline{\mathrm{BE}} \times \sin ( \angle {\mathrm{CBA}} ) =12×1×21+54cosθ×sinθ\displaystyle = \frac{1}{2} \times 1 \times \frac{2}{1 + \sqrt{5 - 4 \cos \theta}} \times \sin \theta =sinθ1+54cosθ\displaystyle = \frac{\sin \theta}{1 + \sqrt{5 - 4 \cos \theta}} 두 직선 AB{\mathrm{AB}}, DM{\mathrm{DM}}이 서로 평행하므로 CDM=θ\angle {\mathrm{CDM}} = \theta, BAE=DFE\angle {\mathrm{BAE}} = \angle {\mathrm{DFE}} 이다. 이때 BAE=FAC\angle {\mathrm{BAE}} = \angle {\mathrm{FAC}}이므로 삼각형 AMF{\mathrm{AMF}}는 이등변삼각형이다. 점 M{\mathrm{M}}은 선분 AC{\mathrm{AC}}의 중점이므로 FM\displaystyle \overline{{\mathrm{FM}}} =12×AC\displaystyle = \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{AC}}=54cosθ2\displaystyle = \frac{\sqrt{5 - 4 \cos \theta}}{2}이고 BD\displaystyle \overline{\mathrm{BD}}=CD\displaystyle = \overline{\mathrm{CD}}=1= 1, DM=12\displaystyle \overline{{\mathrm{DM}}} = \frac{1}{2} 그러므로 DF\displaystyle \overline{{\mathrm{DF}}}=FMDM\displaystyle = \overline{{\mathrm{FM}}} - \overline{\mathrm{DM}}=54cosθ12\displaystyle = \frac{\sqrt{5 - 4 \cos \theta} - 1}{2} FDC\angle {\mathrm{FDC}}=πCDM= \pi - \angle {\mathrm{CDM}}=πθ= \pi - \theta이므로 g(θ)g ( \theta )=12×CD×DF×sin(FDC)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \overline{\mathrm{CD}} \times \overline{{\mathrm{DF}}} \times \sin ( \angle {\mathrm{FDC}} ) =12×1×54cosθ12×sin(πθ)\displaystyle = \frac{1}{2} \times 1 \times \frac{\sqrt{5 - 4 \cos \theta} - 1}{2} \times \sin ( \pi - \theta ) =54cosθ14×sinθ\displaystyle = \frac{\sqrt{5 - 4 \cos \theta} - 1}{4} \times \sin \theta 따라서 limθ0+g(θ)θ2×f(θ)\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{g ( \theta )}{\theta ^{2} \times f ( \theta )}=limθ0+sinθ4(54cosθ1)θ2×sinθ1+54cosθ\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\frac{\sin \theta}{4} ( \sqrt{5 - 4 \cos \theta} - 1 )}{\theta ^{2} \times \frac{\sin \theta}{1 + \sqrt{5 - 4 \cos \theta}}} =limθ0+(54cosθ1)(54cosθ+1)4θ2\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{( \sqrt{5 - 4 \cos \theta} - 1 ) ( \sqrt{5 - 4 \cos \theta} + 1 )}{4 \theta ^{2}} =limθ0+(54cosθ)14θ2\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{( 5 - 4 \cos \theta ) - 1}{4 \theta ^{2}} =limθ0+1cosθθ2\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{1 - \cos \theta}{\theta ^{2}} =limθ0+(1cosθ)(1+cosθ)θ2(1+cosθ)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{( 1 - \cos \theta ) ( 1 + \cos \theta )}{\theta ^{2} ( 1 + \cos \theta )} =12×limθ0+sin2θθ2\displaystyle = \frac{1}{2} \times \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\sin ^{2} \theta}{\theta ^{2}} =12\displaystyle = \frac{1}{2}

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