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

삼각형 넓이 차 극한

문제

그림과 같이 AB=1,BC=2\displaystyle \mathrm{\overline{AB}} = 1 , {\overline{BC}} = 2인 두 선분 AB,BC\mathrm{AB} , BC에 대하여 선분 BC\mathrm{BC}의 중점을 M\mathrm{M}, 점 M\mathrm{M}에서 선분 AB\mathrm{AB}에 내린 수선의 발을 H\mathrm{H}라 하자. 중심이 M\mathrm{M}이고 반지름의 길이가 MH\displaystyle \mathrm{\overline{MH}}인 원이 선분 AM\mathrm{AM}과 만나는 점을 D\mathrm{D}, 선분 HC\mathrm{HC}가 선분 DM\mathrm{DM}과 만나는 점을 E\mathrm{E}라 하자. ABC=θ\mathrm{\angle} ABC = \theta라 할 때, 삼각형 CDE\mathrm{CDE}의 넓이를 f(θ)f ( \theta ), 삼각형 MEH\mathrm{MEH}의 넓이를 g(θ)g ( \theta )라 하자. limθ0+f(θ)g(θ)θ3=a\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{f ( \theta ) - g ( \theta )}{\theta ^{3}} = a}일 때, 80a80 a의 값을 구하시오. (\displaystyle \left( \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \end{array} \right.단, 0<θ<π2)\displaystyle \left. 0 < \theta < \frac{\pi}{2} \right) [4점]

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15

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해설

[출제의도] 도형의 넓이를 삼각함수로 나타내고 극한값을 구할 수 있는가? 직각삼각형 BMH\mathrm{BMH}에서 MB=1\displaystyle {\mathrm{\overline{MB}}} = 1 sinθ=MHMB\displaystyle \sin \theta = \frac{{\mathrm{\overline{MH}}}}{{\mathrm{\overline{MB}}}}에서 MH=MB×sinθ=sinθ\displaystyle {\mathrm{\overline{MH}}} = {\mathrm{\overline{MB}}} \times \sin \theta = \sin \theta 삼각형 DMC\mathrm{DMC}에서 MD=MH=sinθ\displaystyle {\mathrm{\overline{MD}}} = {\mathrm{\overline{MH}}} = \sin \theta, MC=1\displaystyle {\mathrm{\overline{MC}}} = 1, DMC=πDMB\angle \mathrm{DMC} = \pi - \angle \mathrm{DMB}=πAMB= \pi - \angle \mathrm{AMB}=ππθ2\displaystyle = \pi - \frac{\pi - \theta}{2}=π2+θ2\displaystyle = \frac{\pi}{2} + \frac{\theta}{2} 이므로 DMC=12×MD×MC×sin(DMC)\displaystyle \triangle \mathrm{DMC} = \frac{1}{2} \times {\mathrm{\overline{MD}}} \times {\overline{MC}} \times \sin ( \angle DMC ) =12×sinθ×1×sin(π2+θ2)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \sin \theta \times 1 \times \sin \left( \frac{\pi}{2} + \frac{\theta}{2} \right)=12sinθcosθ2\displaystyle = \frac{1}{2} \sin \theta \cos \frac{\theta}{2} 삼각형 HMC\mathrm{HMC}에서 MH=sinθ\displaystyle {\mathrm{\overline{MH}}} = \sin \theta, MC=1\displaystyle {\mathrm{\overline{MC}}} = 1, HMC=πHMB\angle \mathrm{HMC} = \pi - \angle \mathrm{HMB}=π(π2θ)\displaystyle = \pi - \left( \frac{\pi}{2} - \theta \right)=π2+θ\displaystyle = \frac{\pi}{2} + \theta 이므로 HMC=12×MH×MC×sin(HMC)\displaystyle \triangle \mathrm{HMC} = \frac{1}{2} \times {\mathrm{\overline{MH}}} \times {\overline{MC}} \times \sin ( \angle HMC ) =12×sinθ×1×sin(π2+θ)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \sin \theta \times 1 \times \sin \left( \frac{\pi}{2} + \theta \right) =12sinθcosθ\displaystyle = \frac{1}{2} \sin \theta \cos \theta 이때 f(θ)g(θ)f ( \theta ) - g ( \theta )=DMCHMC= \triangle \mathrm{DMC} - \triangle \mathrm{HMC} =12sinθcosθ212sinθcosθ\displaystyle = \frac{1}{2} \sin \theta \cos \frac{\theta}{2} - \frac{1}{2} \sin \theta \cos \theta =sinθ(cosθ2cosθ)2\displaystyle = \frac{\sin \theta \left( \cos \frac{\theta}{2} - \cos \theta \right)}{2} 이므로 limθ0+f(θ)g(θ)θ3\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{f ( \theta ) - g ( \theta )}{\theta ^{3}} =limθ0+sinθ(cosθ2cosθ)2θ3\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\sin \theta \left( \cos \frac{\theta}{2} - \cos \theta \right)}{2 \theta ^{3}} =limθ0+sinθ(cosθ2cosθ)(cosθ2+cosθ)2θ3(cosθ2+cosθ)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\sin \theta \left( \cos \frac{\theta}{2} - \cos \theta \right) \left( \cos \frac{\theta}{2} + \cos \theta \right)}{2 \theta ^{3} \left( \cos \frac{\theta}{2} + \cos \theta \right)} =limθ0+sinθ(cos2θ2cos2θ)2θ3(cosθ2+cosθ)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\sin \theta \left( \cos ^{2} \frac{\theta}{2} - \cos ^{2} \theta \right)}{2 \theta ^{3} \left( \cos \frac{\theta}{2} + \cos \theta \right)} =limθ0+sinθ(sin2θsin2θ2)2θ3(cosθ2+cosθ)\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\sin \theta \left( \sin ^{2} \theta - \sin ^{2} \frac{\theta}{2} \right)}{2 \theta ^{3} \left( \cos \frac{\theta}{2} + \cos \theta \right)} =12limθ0+sinθθ×{limθ0+(sinθθ)2\displaystyle = \frac{1}{2} \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{\sin \theta}{\theta} \times \left\{ \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \left( \frac{\sin \theta}{\theta} \right) ^{2} \right. 14limθ0+(sinθ2θ2)2}\displaystyle - \frac{1}{4} \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \left( \frac{\sin \frac{\theta}{2}}{\frac{\theta}{2}} \right) ^{2} \} ×limθ0+1cosθ2+cosθ\displaystyle \times \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {} \frac{1}{\cos \frac{\theta}{2} + \cos \theta} =12×1×(1214×12)×11+1\displaystyle = \frac{1}{2} \times 1 \times \left( 1 ^{2} - \frac{1}{4} \times 1 ^{2} \right) \times \frac{1}{1 + 1} =316\displaystyle = \frac{3}{16} 따라서 a=316\displaystyle a = \frac{3}{16}이므로 ∴ 80a=80×316=15\displaystyle 80 a = 80 \times \frac{3}{16} = 15 <참고> 삼각형 HMC의 넓이는 직각삼각형 HBM의 넓이와 같다. HMC=HBM=12sinθcosθ\displaystyle \triangle \mathrm{HMC} = \triangle \mathrm{HBM} = \frac{1}{2} \sin \theta \cos \theta

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