수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

그림과 같이 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 H\displaystyle \mathrm{H}라 하고, POH=α\displaystyle \angle \mathrm{PO}^{\prime} \mathrm{H} = \alpha 라 하자. (단, O(1,0)\displaystyle \mathrm{O}^{\prime} ( 1 , 0 )이다.)

원 위의 점 P에서 x축에 내린 수선의 발 H와 각 θ, α

이제 AP=x\displaystyle \overline{\mathrm{AP}}=x라 하자. 그러면 두 직각삼각형 PAH\displaystyle \mathrm{PAH}PHO\displaystyle \mathrm{PHO}^{\prime}으로부터 PH=xsinθ=sinα\displaystyle \overline{\mathrm{PH}}=x\sin\theta=\sin\alpha이고 AO=xcosθ+cosα\displaystyle \overline{\mathrm{AO}^{\prime}}=x\cos\theta+\cos\alpha인데, AO=3\displaystyle \overline{\mathrm{AO}^{\prime}} = 3이므로1=cos2α+sin2α=(3xcosθ)2+(xsinθ)2\displaystyle 1 = \cos^{2} \alpha + \sin^{2} \alpha = ( 3 - x \cos \theta )^{2} + ( x \sin \theta )^{2}이다. 그리고 이차방정식 x26cosθx+8=0\displaystyle x^{2} - 6 \cos \theta x + 8 = 0을 풀면x=3cosθ±9cos2θ8\displaystyle x = 3 \cos \theta \pm \sqrt{9 \cos^{2} \theta - 8}이다. 그런데 직선은 원과 두 점에서 만나야 하므로 θ\displaystyle \theta의 값은 직선이 원에 접할 때의 각 보다 작아야 한다. 원의 반지름이 1\displaystyle 1이고 AO=3\displaystyle \overline{\mathrm{AO}^{\prime}} = 3이므로223<cosθ<1\displaystyle \frac{{2 \sqrt{2}}}{3} < \cos \theta < 1이다. 따라서 9cos2θ8>0\displaystyle 9 \cos^{2} \theta - 8 > 0이고, limθ0+x=2\displaystyle \lim_{\theta \to 0^{+}} x = 2이므로 x=3cosθ9cos2θ8\displaystyle x = 3 \cos \theta - \sqrt{9 \cos^{2} \theta - 8}이다. 그러므로limθ0+x2θ2=limθ0+(3cosθ2)9cos2θ8θ2=limθ0+12(1cosθ)θ2((3cosθ2)+9cos2θ8)\displaystyle \lim_{\theta \to 0^{+}} {} \frac{{x - 2}}{\theta^{2}} = \lim_{\theta \to 0^{+}} {} \frac{{( 3 \cos \theta - 2 ) - \sqrt{9 \cos^{2} \theta - 8}}}{\theta^{2}} = \lim_{\theta \to 0^{+}} {} \frac{{12 ( 1 - \cos \theta )}}{\theta^{2} \left( ( 3 \cos \theta - 2 ) + \sqrt{9 \cos^{2} \theta - 8} \right)}이고, limθ0+1cosθθ2=limθ0+1cos2θθ2(1+cosθ)=limθ0+sin2θθ2(1+cosθ)=12\displaystyle \lim_{\theta \to 0^{+}} \frac{{1 - \cos \theta}}{\theta^{2}} = \lim_{\theta \to 0^{+}} \frac{{1 - \cos^{2} \theta}}{\theta^{2} ( 1 + \cos \theta )} = \lim_{\theta \to 0^{+}} \frac{{\sin^{2} \theta}}{\theta^{2} ( 1 + \cos \theta )} = \frac{1}{2}, limθ0+12((3cosθ2)+9cos2θ8)=6\displaystyle \lim_{\theta \to 0^{+}} {} \frac{{12}}{\left( ( 3 \cos \theta - 2 ) + \sqrt{9 \cos^{2} \theta - 8} \right)} = 6이므로limθ0+x2θ2=3\displaystyle \lim_{\theta\to0^+}\frac{x-2}{\theta^2}=3이다.

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