수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
10 · (1-1)

(1-1)아래 그림과 같이 원 CR\displaystyle C_R의 중심을 O1\displaystyle O_1이라 하고 원 CR\displaystyle C_R이 선분 AB\displaystyle AB와 접하는 점을 P\displaystyle P, 원 Cr\displaystyle C_r이 호 AB\displaystyle AB와 접하는 점을 Q\displaystyle Q라 하자. 그리고 원 CR\displaystyle C_R의 중심 O1\displaystyle O_1에서 선분 OB\displaystyle OB에 내린 수선의 발을 H\displaystyle H라 하자.

직각 부채꼴에서 반지름을 구하는 보조선

삼각형 AOB\displaystyle AOB가 직각이등변삼각형이고 AB=2\displaystyle \overline{AB}=\sqrt2이므로 OP=PB=HB=22\displaystyle \overline{OP}=\overline{PB}=\overline{HB}=\frac{\sqrt2}2이다. 따라서R=OH=1HB=122\displaystyle R=\overline{OH}=1-\overline{HB}=1-\frac{\sqrt2}2이고, r=12PQ=12(1OP)=12(122)\displaystyle r=\frac12\overline{PQ}=\frac12(1-\overline{OP})=\frac12\left(1-\frac{\sqrt2}2\right)이다.

15 · (1-2)

(1-2)아래 그림과 같이 원 CR\displaystyle C_R의 중심을 O1\displaystyle O_1이라 하고 원 CR\displaystyle C_R이 선분 AB\displaystyle AB와 접하는 점을 P\displaystyle P, 원 Cr\displaystyle C_r이 호 AB\displaystyle AB와 접하는 점을 Q\displaystyle Q라 하자. 그리고 원 CR\displaystyle C_R의 중심 O1\displaystyle O_1에서 선분 OB\displaystyle OB에 내린 수선의 발을 H\displaystyle H라 하자.

중심각 세타인 부채꼴의 두 내접원

(i) 위의 그림으로부터 AP=BP=HB=sinθ2\displaystyle \overline{AP}=\overline{BP}=\overline{HB}=\sin\frac\theta2이고 OP=cosθ2\displaystyle \overline{OP}=\cos\frac\theta2이므로 다음을 얻는다.r=12PQ=12(1OP)=12(1cosθ2)\displaystyle r=\frac12\overline{PQ}=\frac12(1-\overline{OP})=\frac12\left(1-\cos\frac\theta2\right) (혹은 이 식을 변형한 식)R=OHtanθ2=(1HB)tanθ2=(1sinθ2)tanθ2=sinθ2cosθ21+sinθ2\displaystyle R=\overline{OH}\tan\frac\theta2=(1-\overline{HB})\tan\frac\theta2=\left(1-\sin\frac\theta2\right)\tan\frac\theta2=\frac{\sin\frac\theta2\cos\frac\theta2}{1+\sin\frac\theta2} (혹은 이 식을 변형한 식)

(ii) rR2=(1cosθ2)(1+sinθ2)22cos2θ2sin2θ2\displaystyle \frac r{R^2}=\frac{\left(1-\cos\frac\theta2\right)\left(1+\sin\frac\theta2\right)^2}{2\cos^2\frac\theta2\sin^2\frac\theta2}이고limθ+0rR2=limθ+0(1cosθ2)(1+sinθ2)22cos2θ2sin2θ2=limθ+01cosθ22sin2θ2=limθ+0(1cosθ2)(1+cosθ2)2sin2θ2(1+cosθ2)=limθ+0sin2θ22sin2θ2(1+cosθ2)=limθ+012(1+cosθ2)=14\displaystyle \begin{aligned}\lim_{\theta\to+0}\frac r{R^2}&=\lim_{\theta\to+0}\frac{\left(1-\cos\frac\theta2\right)\left(1+\sin\frac\theta2\right)^2}{2\cos^2\frac\theta2\sin^2\frac\theta2}=\lim_{\theta\to+0}\frac{1-\cos\frac\theta2}{2\sin^2\frac\theta2}\\&=\lim_{\theta\to+0}\frac{\left(1-\cos\frac\theta2\right)\left(1+\cos\frac\theta2\right)}{2\sin^2\frac\theta2\left(1+\cos\frac\theta2\right)}=\lim_{\theta\to+0}\frac{\sin^2\frac\theta2}{2\sin^2\frac\theta2\left(1+\cos\frac\theta2\right)}\\&=\lim_{\theta\to+0}\frac1{2\left(1+\cos\frac\theta2\right)}=\frac14\end{aligned}

(참고) (i)에서 구한 R,r\displaystyle R,rθ\displaystyle \theta에 대한 삼각함수로 다양하게 표현된 것에 대해서도 같은 극한값을 갖는다.

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