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

원의 접선과 삼각함수 극한

문제

그림과 같이 원 x2+y2=1x ^{2} + y ^{2} = 1 위의 점 P\mathrm{P}에서의 접선이 xx축과 만나는 점을 Q\mathrm{Q}라 하자. 점 A(1,0)\mathrm{A} \left( - 1 , 0 \right)과 원점 O\mathrm{O}에 대하여 PAO=θ\angle \mathrm{PAO} = \theta라 할 때, limθπ40PQOQθπ4\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow \frac{\pi}{4} - 0} {\frac{\overline{\mathrm{PQ}} - \overline{\mathrm{OQ}}}{\theta - \frac{\pi}{4}}}의 값은? (단, 점 P\mathrm{P}는 제 11사분면 위의 점이다.) [3점]

223\displaystyle \sqrt{3}32\displaystyle \frac{3}{2}1122\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}

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해설

그림에서 AOP\mathrm{\triangle} AOP가 이등변삼각형이므로 POQ=2θ\mathrm{\angle} POQ = 2 \theta P(cos2θ,sin2θ)\therefore \mathrm{P} ( \cos 2 \theta , \sin 2 \theta )P\mathrm{P}를 지나는 접선의 방정식은 cos2θx+sin2θy=1\cos 2 \theta x + \sin 2 \theta y = 1 Q(1cos2θ,0)\displaystyle \therefore \mathrm{Q} \left( \frac{1}{\cos 2 \theta} , 0 \right) PQOQ\displaystyle \therefore \mathrm{\overline{PQ}} - \overline{OQ}=(cos2θ1cos2θ)2+sin22θ\displaystyle = \sqrt{\left( \cos 2 \theta - \frac{1}{\cos 2 \theta} \right) ^{2} + \sin ^{2} 2 \theta}1cos2θ\displaystyle - \frac{1}{\cos 2 \theta} =12+1cos22θ1cos2θ\displaystyle = \sqrt{1 - 2 + \frac{1}{\cos ^{2} 2 \theta}} - \frac{1}{\cos 2 \theta} =sec22θ11cos2θ\displaystyle = \sqrt{\sec ^{2} 2 \theta - 1} - \frac{1}{\cos 2 \theta} =tan2θ1cos2θ\displaystyle = \tan 2 \theta - \frac{1}{\cos 2 \theta}=sin2θ1cos2θ\displaystyle = \frac{\sin 2 \theta - 1}{\cos 2 \theta} 한편 θπ4=t\displaystyle \theta - \frac{\pi}{4} = t라 하면 θ=π4+t\displaystyle \theta = \frac{\pi}{4} + t이므로 sin2θ1cos2θ=sin(π2+2t)1cos(π2+2t)\displaystyle \frac{\sin 2 \theta - 1}{\cos 2 \theta} = \frac{\sin \left( \frac{\pi}{2} + 2 t \right) - 1}{\cos \left( \frac{\pi}{2} + 2 t \right)}=cos2t1sin2t\displaystyle = \frac{\cos 2 t - 1}{- \sin 2 t}=2sin2tsin2t\displaystyle = \frac{- 2 \sin ^{2} t}{- \sin 2 t}=2sin2tsin2t\displaystyle = \frac{2 \sin ^{2} t}{\sin 2 t} limθπ40PQOQθπ4\displaystyle \therefore \lim\limits _{\theta \rightarrow \frac{\pi}{4} - 0} {} \frac{\mathrm{\overline{PQ} - \overline{OQ}}}{\theta - \frac{\pi}{4}}=limt02sin2tsin2tt\displaystyle = \lim\limits _{t \rightarrow - 0} \frac{\frac{2 \sin ^{2} t}{\sin 2 t}}{t}=2limt0sin2tt22tsin2t12\displaystyle = 2 \lim\limits _{t \rightarrow - 0} \frac{\sin ^{2} t}{t ^{2}} \cdot \frac{2 t}{\sin 2 t} \cdot \frac{1}{2}=1= 1

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