수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중
+25점 · 도형의 닮음 성질을 이용하여 주어진 조건으로부터 삼각함수의 극한값을 계산할 수 있다.

삼각형 OAD\displaystyle \mathrm{OAD}가 직각삼각형이고 OA=1\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}=1, AOD=θ2\displaystyle \angle\mathrm{AOD}=\frac\theta2이므로 원 C\displaystyle \mathrm C의 반지름의 길이는 tanθ2\displaystyle \tan\frac\theta2이다.삼각형 DAD\displaystyle \mathrm D^{\prime}\mathrm{AD}의 넓이는 삼각형 OAD\displaystyle \mathrm{OAD}의 넓이에서 삼각형 OAD\displaystyle \mathrm{OA}\mathrm D^{\prime}의 넓이를 뺀 것이다. 원 C\displaystyle \mathrm C^{\prime}의 반지름의 길이를 r\displaystyle r이라고 할 때, 삼각형 DAD\displaystyle \mathrm D^{\prime}\mathrm{AD}의 넓이 S(θ)\displaystyle S(\theta)는 아래와 같이 나타낼 수 있다.삼각형 OAD\displaystyle \mathrm{OAD}의 넓이 =12×OA×tanθ2=12tanθ2\displaystyle =\frac12\times\overline{\mathrm{OA}}\times\tan\frac\theta2=\frac12\tan\frac\theta2삼각형 OAD\displaystyle \mathrm{OA}\mathrm D^{\prime}의 넓이 =12×OA×r=12r\displaystyle =\frac12\times\overline{\mathrm{OA}}\times r=\frac12rS(θ)=12(tanθ2r) ㉠\displaystyle S(\theta)=\frac12\left(\tan\frac\theta2-r\right)\qquad\cdots\cdots\ \text{㉠}C\displaystyle \mathrm C^{\prime}과 반직선 OX\displaystyle \mathrm{OX}가 만나는 점을 A\displaystyle \mathrm A^{\prime}이라고 하자. 삼각형 OAD\displaystyle \mathrm{OAD}와 삼각형 OAD\displaystyle \mathrm O\mathrm A^{\prime}\mathrm D^{\prime}는 닮은꼴이므로AD:AD=OD:OD,OD=OD두 원의 반지름 합\displaystyle \overline{\mathrm{AD}}:\overline{\mathrm A^{\prime}\mathrm D^{\prime}}=\overline{\mathrm{OD}}:\overline{\mathrm O\mathrm D^{\prime}},\quad\overline{\mathrm O\mathrm D^{\prime}}=\overline{\mathrm{OD}}-\text{두 원의 반지름 합}tanθ2:r=secθ2:secθ2tanθ2r\displaystyle \tan\frac\theta2:r=\sec\frac\theta2:\sec\frac\theta2-\tan\frac\theta2-r이 성립한다. 따라서r=tanθ2secθ2tan2θ2secθ2+tanθ2 ㉡\displaystyle r=\frac{\tan\frac\theta2\sec\frac\theta2-\tan^2\frac\theta2}{\sec\frac\theta2+\tan\frac\theta2}\qquad\cdots\cdots\ \text{㉡}이다.식 ㉡을 식 ㉠에 대입하면,S(θ)=12(tanθ2r)=12tanθ2(1secθ2tanθ2secθ2+tanθ2)=12tanθ22tanθ2secθ2+tanθ2=tan2θ2secθ2+tanθ2\displaystyle \begin{aligned}S(\theta)&=\frac12\left(\tan\frac\theta2-r\right)=\frac12\tan\frac\theta2\left(1-\frac{\sec\frac\theta2-\tan\frac\theta2}{\sec\frac\theta2+\tan\frac\theta2}\right)\\&=\frac12\tan\frac\theta2\cdot\frac{2\tan\frac\theta2}{\sec\frac\theta2+\tan\frac\theta2}\\&=\frac{\tan^2\frac\theta2}{\sec\frac\theta2+\tan\frac\theta2}\end{aligned}이므로,limθ0+S(θ)θ2=limθ0+tan2θ2θ2(secθ2+tanθ2)=limθ0+tanθ2θtanθ2θ1secθ2+tanθ2\displaystyle \begin{aligned}\lim_{\theta\to0+}\frac{S(\theta)}{\theta^2}&=\lim_{\theta\to0+}\frac{\tan^2\frac\theta2}{\theta^2\left(\sec\frac\theta2+\tan\frac\theta2\right)}\\&=\lim_{\theta\to0+}\frac{\tan\frac\theta2}{\theta}\cdot\frac{\tan\frac\theta2}{\theta}\cdot\frac1{\sec\frac\theta2+\tan\frac\theta2}\end{aligned}이고limθ0+tanθ2θ=12,limθ0+secθ2=1,limθ0+tanθ2=0\displaystyle \lim_{\theta\to0+}\frac{\tan\frac\theta2}{\theta}=\frac12,\quad\lim_{\theta\to0+}\sec\frac\theta2=1,\quad\lim_{\theta\to0+}\tan\frac\theta2=0에 의하여limθ0+S(θ)θ2=14\displaystyle \lim_{\theta\to0+}\frac{S(\theta)}{\theta^2}=\frac14이다.

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