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

원과 두 직선 거리 최솟값

문제

그림과 같이 중심이 O\mathrm{O}이고, 반지름의 길이가 11인 원이 있다. 원의 중심으로부터 거리가 22인 점 A\mathrm{A}에서 원과 서로 다른 두 점에서 각각 만나도록 그은 두 직선이 이루는 각의 크기가 π6\displaystyle \frac{\pi}{6}로 일정하다. 원의 중심 O\mathrm{O}에서 두 직선까지의 거리를 각각 ll, mm이라 할 때, 2l2+m22 l ^{2} + m ^{2}의 최솟값은 p+q7\displaystyle p + q \sqrt{7}이다. 30(p+q)30 \left( p + q \right)의 값을 구하시오. (단, pp, qq는 유리수이다.) [4점]

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120

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해설

[출제의도] 삼각함수의 합성을 활용하여 문제해결하기 점 O\mathrm{O}에서 두 직선에 내린 수선의 발을 각각 P\mathrm{P}, Q\mathrm{Q}라 하자. OAP=θ\angle {\mathrm{OAP}} = \theta(0<θ<π6)\displaystyle \left( 0 < \theta < \frac{\pi}{6} \right)라 하면 OAQ=π6θ\displaystyle \angle {\mathrm{OAQ}} = \frac{\pi}{6} - \theta l=2sinθl = 2 \sin \theta, m=2sin(π6θ)=cosθ3sinθ\displaystyle m = 2 \sin \left( \frac{\pi}{6} - \theta \right) = \cos \theta - \sqrt{3} \sin \theta

2l2+m2=8sin2θ+(cosθ3sinθ)2\displaystyle 2 l ^{2} + m ^{2} = 8 \sin ^{2} \theta + \left( \cos \theta - \sqrt{3} \sin \theta \right) ^{2} =8sin2θ+cos2θ23sinθcosθ+3sin2θ\displaystyle = 8 \sin ^{2} \theta + \cos ^{2} \theta - 2 \sqrt{3} \sin \theta \cos \theta + 3 \sin ^{2} \theta =1+10sin2θ3sin2θ\displaystyle = 1 + 10 \sin ^{2} \theta - \sqrt{3} \sin 2 \theta =65cos2θ3sin2θ\displaystyle = 6 - 5 \cos 2 \theta - \sqrt{3} \sin 2 \theta =627sin(2θ+α)\displaystyle = 6 - 2 \sqrt{7} \sin ( 2 \theta + \alpha ) (\displaystyle \left( \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \end{array} \right.단, sinα=5714\displaystyle \sin \alpha = \frac{5 \sqrt{7}}{14}, cosα=2114\displaystyle \cos \alpha = \frac{\sqrt{21}}{14})\displaystyle \begin{matrix} \\ \end{matrix} ) tanα=533\displaystyle \tan \alpha = \frac{5 \sqrt{3}}{3} \therefore π3<α<π2\displaystyle \frac{\pi}{3} < \alpha < \frac{\pi}{2} 0<θ<π6\displaystyle 0 < \theta < \frac{\pi}{6}이고 α<2θ+α<π3+α\displaystyle \alpha < 2 \theta + \alpha < \frac{\pi}{3} + \alpha이므로 2θ+α=π2\displaystyle 2 \theta + \alpha = \frac{\pi}{2}일 때 sin(2θ+α)=1\sin \left( 2 \theta + \alpha \right) = 1 2l2+m22 l ^{2} + m ^{2}의 최솟값은 627\displaystyle 6 - 2 \sqrt{7}이므로 p=6p = 6, q=2q = - 2 따라서 30(p+q)=12030 \left( p + q \right) = 120

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