미적분Ⅱ여러 가지 미분법수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

원 속 삼각형 넓이 미분

문제

길이가 10\mathrm{10}인 선분 AB{\mathrm{AB}}를 지름으로 하는 원과 선분 AB{\mathrm{AB}} 위에 AC=4\displaystyle \overline{{\mathrm{AC}}} = 4인 점 C{\mathrm{C}}가 있다. 이 원 위의 점 P{\mathrm{P}}PCB=θ\angle {\mathrm{PCB}} \mathit{=} \theta가 되도록 잡고, 점 P{\mathrm{P}}를 지나고 선분 AB{\mathrm{AB}}에 수직인 직선이 이 원과 만나는 점 중 P{\mathrm{P}}가 아닌 점을 Q{\mathrm{Q}}라 하자. 삼각형 PCQ{\mathrm{PCQ}}의 넓이를 S(θ)S ( \theta )라 할 때, 7×S(π4)\displaystyle - 7 \times S' \left( \frac{\pi}{4} \right)의 값을 구하시오. (\displaystyle \left( \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \end{array} \right.단, 0<θ<π2\displaystyle 0 < \theta < \frac{\pi}{2})\displaystyle \begin{matrix} \\ \end{matrix} ) [4점]

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해설

원의 중심을 O\mathrm{O}, 선분 AB\mathrm{AB}와 선분 PQ\mathrm{PQ}의 교점을 H\mathrm{H}, CP\displaystyle \mathrm{\overline{CP}}=x= x라고 하면 OC=1\displaystyle \mathrm{\overline{OC}} = 1, OP=5\displaystyle \mathrm{\overline{OP}} = 5이므로 코사인법칙에 의하여 25=x2+12xcosθ25 = x ^{2} + 1 - 2 x \cos \theta, (xcosθ)2=24+cos2θ\left( x - \cos \theta \right) ^{2} = 24 + \cos ^{2} \theta x=cosθ+24+cos2θ\displaystyle x = \cos \theta + \sqrt{24 + \cos ^{2} \theta}(\because x>0x > 0) CP=CQ=x\displaystyle \mathrm{\overline{CP}} = \overline{CQ} = \mathit{x}, PCQ=2θ\angle \mathrm{PCQ} = 2 \theta이므로 삼각형 PCQ\mathrm{PCQ}의 넓이 S(θ)S \left( \theta \right)S(θ)S \left( \theta \right)=12×(cosθ+24+cos2θ)2sin2θ\displaystyle = \frac{1}{2} \times \left( \cos \theta + \sqrt{24 + \cos ^{2} \theta} \right) ^{2} \sin 2 \theta =(cosθ+24+cos2θ)2sin2θ2\displaystyle = \left( \cos \theta + \sqrt{24 + \cos ^{2} \theta} \right) ^{2} \frac{\sin 2 \theta}{2} S(θ)S' \left( \theta \right)=2(cosθ+24+cos2θ)(sinθsinθcosθ24+cos2θ)\displaystyle = 2 \left( \cos \theta + \sqrt{24 + \cos ^{2} \theta} \right) \left( - \sin \theta - \frac{\sin \theta \cos \theta}{\sqrt{24 + \cos ^{2} \theta}} \right) ×sin2θ2+(cosθ+24+cos2θ)2cos2θ\displaystyle \times \frac{\sin 2 \theta}{2} + \left( \cos \theta + \sqrt{24 + \cos ^{2} \theta} \right) ^{2} \cos 2 \theta \therefore 7×S(π4)\displaystyle - 7 \times S' \left( \frac{\pi}{4} \right) =7×(22+24+12)(221224+12)\displaystyle = - 7 \times \left( \frac{\sqrt{2}}{2} + \sqrt{24 + \frac{1}{2}} \right) \left( - \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\frac{1}{2}}{\sqrt{24 + \frac{1}{2}}} \right) =7×42×(472)\displaystyle = - 7 \times 4 \sqrt{2} \times \left( - \frac{4}{7} \sqrt{2} \right) =32= 32

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