수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

🔒
짧은 시간에 너무 많은 문제를 여셔서 열람을 잠시 제한했습니다. 잠시 후 다시 시도하시거나 로그인해 주세요.
해설강의 준비중

[문제 2-1]

+10점 · (1), (2)와 같이 AB\displaystyle \overline{\mathrm{AB}}, BC\displaystyle \overline{\mathrm{BC}}, CA\displaystyle \overline{\mathrm{CA}}AQ1\displaystyle \overline{\mathrm{AQ}_1}의 관계를 알아낸 경우

C1\displaystyle C_1과 두 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}, AB\displaystyle \mathrm{AB}의 접점을 각각 P\displaystyle \mathrm{P}, R\displaystyle \mathrm{R}이라고 하자. AQ1=a\displaystyle \overline{\mathrm{AQ}_1}=a, BR=b\displaystyle \overline{\mathrm{BR}}=b, CP=c\displaystyle \overline{\mathrm{CP}}=c 라고 두면 <그림 3>에서와 같이 AR=a\displaystyle \overline{\mathrm{AR}}=a, BP=b\displaystyle \overline{\mathrm{BP}}=b, CQ1=c\displaystyle \overline{\mathrm{CQ}_1}=c가 되고,따라서 a+b=AR+BR=AB=5+22,a+c=AQ1+CQ1=AC=522,b+c=BP+CP=BC=7.(1)\displaystyle \begin{aligned}a+b&=\overline{\mathrm{AR}}+\overline{\mathrm{BR}}=\overline{\mathrm{AB}}=5+2\sqrt2,\\a+c&=\overline{\mathrm{AQ}_1}+\overline{\mathrm{CQ}_1}=\overline{\mathrm{AC}}=5-2\sqrt2,\\b+c&=\overline{\mathrm{BP}}+\overline{\mathrm{CP}}=\overline{\mathrm{BC}}=7.\end{aligned}\qquad(1)

내접원 중심 O1에서 각 변에 내린 수선과 접선의 길이
<그림 3>

(1)에 의하여 a+b+c=12{(5+22)+(522)+7}=172\displaystyle a+b+c=\frac12\{(5+2\sqrt2)+(5-2\sqrt2)+7\}=\frac{17}2이므로, (2)\displaystyle (2)

+5점 · (3)과 같이 AQ1\displaystyle \overline{\mathrm{AQ}_1}를 구한 경우

(1), (2)에 의하여 AQ1=a=(a+b+c)(b+c)=1727=32\displaystyle \overline{\mathrm{AQ}_1}=a=(a+b+c)-(b+c)=\frac{17}2-7=\frac32. (3)\displaystyle (3)

+10점 · (4)와 같이 코사인법칙을 이용하여 (5)와 같이 각 BAC\displaystyle \mathrm{BAC}의 크기가 60\displaystyle 60^\circ임을 알아낸 경우

코사인법칙에 의하여cos(BAC)=AB2+AC2BC22ABAC=(5+22)2+(522)2722(5+22)(522)=2(25+8)492(258)=12(4)\displaystyle \begin{aligned}\cos(\angle\mathrm{BAC})&=\frac{\overline{\mathrm{AB}}^2+\overline{\mathrm{AC}}^2-\overline{\mathrm{BC}}^2}{2\overline{\mathrm{AB}}\cdot\overline{\mathrm{AC}}}=\frac{(5+2\sqrt2)^2+(5-2\sqrt2)^2-7^2}{2(5+2\sqrt2)(5-2\sqrt2)}\\&=\frac{2(25+8)-49}{2(25-8)}=\frac12\end{aligned}\qquad(4)이므로BAC=60\displaystyle \angle\mathrm{BAC}=60^\circ. (5)\displaystyle (5)

내심 O1과 각 A가 이루는 30도 직각삼각형
<그림 4>
+5점 · (7)과 같이 원 C1\displaystyle C_1의 반지름을 구한 경우

C1\displaystyle C_1의 중심을 O1\displaystyle \mathrm{O}_1라고 두면 <그림 4>에서와 같이 두 직각삼각형 AO1Q1\displaystyle \mathrm{AO}_1\mathrm{Q}_1AO1R\displaystyle \mathrm{AO}_1\mathrm{R}은 합동이고, 따라서 (5)에 의하여O1AQ1=O1AR=30\displaystyle \angle\mathrm{O}_1\mathrm{AQ}_1=\angle\mathrm{O}_1\mathrm{AR}=30^\circ. (6)\displaystyle (6)C1\displaystyle C_1의 반지름을 r1\displaystyle r_1이라고 두면, (3), (6)에 의하여r1=O1Q1=AQ1tan(O1AQ1)=3213=32\displaystyle r_1=\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{Q}_1}=\overline{\mathrm{AQ}_1}\cdot\tan(\angle\mathrm{O}_1\mathrm{AQ}_1)=\frac32\cdot\frac1{\sqrt3}=\frac{\sqrt3}2. (7)\displaystyle (7)

+5점 · (11)과 같이 구하는 영역의 넓이를 구한 경우

(6)에 의하여Q1O1R=AO1Q1+AO1R=(90O1AQ1)+(90O1AR)=120\displaystyle \angle\mathrm{Q}_1\mathrm{O}_1\mathrm{R}=\angle\mathrm{AO}_1\mathrm{Q}_1+\angle\mathrm{AO}_1\mathrm{R}=(90^\circ-\angle\mathrm{O}_1\mathrm{AQ}_1)+(90^\circ-\angle\mathrm{O}_1\mathrm{AR})=120^\circ이므로, (8)\displaystyle (8)(7), (8)에 의하여부채꼴 O1Q1R\displaystyle \mathrm{O}_1\mathrm{Q}_1\mathrm{R}의 넓이 =\displaystyle =C1\displaystyle C_1의 넓이 120360=π(32)213=π4\displaystyle \cdot\frac{120^\circ}{360^\circ}=\pi\left(\frac{\sqrt3}2\right)^2\cdot\frac13=\frac\pi4. (9)\displaystyle (9)(3), (7)에 의하여사각형 AQ1O1R\displaystyle \mathrm{AQ}_1\mathrm{O}_1\mathrm{R}의 넓이 =2\displaystyle =2\cdot삼각형 AO1Q1\displaystyle \mathrm{AO}_1\mathrm{Q}_1의 넓이 =2(12AQ1O1Q1)\displaystyle =2\cdot\left(\frac12\cdot\overline{\mathrm{AQ}_1}\cdot\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{Q}_1}\right)=2123232=334.(10)\displaystyle =2\cdot\frac12\cdot\frac32\cdot\frac{\sqrt3}2=\frac{3\sqrt3}4.\qquad(10)(9), (10)에 의하여 구하는 영역의 넓이는사각형 AQ1O1R\displaystyle \mathrm{AQ}_1\mathrm{O}_1\mathrm{R}의 넓이 \displaystyle - 부채꼴 O1Q1R\displaystyle \mathrm{O}_1\mathrm{Q}_1\mathrm{R}의 넓이 =334π4\displaystyle =\frac{3\sqrt3}4-\frac\pi4. (11)\displaystyle (11)

참고: (7)을 구하는 다른 방법

+5점 · (7)과 같이 원 C1\displaystyle C_1의 반지름을 구한 경우

C1\displaystyle C_1이 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 내접원이므로 <그림 3>에 의하여ABC\displaystyle \triangle\mathrm{ABC}의 넓이 =O1AB\displaystyle =\triangle\mathrm{O}_1\mathrm{AB}의 넓이 +O1BC\displaystyle +\triangle\mathrm{O}_1\mathrm{BC}의 넓이 +O1AC\displaystyle +\triangle\mathrm{O}_1\mathrm{AC}의 넓이=12r1AB+12r1BC+12r1AC=12r1{(5+22)+7+(522)}=172r1.\displaystyle \begin{aligned}&=\frac12r_1\cdot\overline{\mathrm{AB}}+\frac12r_1\cdot\overline{\mathrm{BC}}+\frac12r_1\cdot\overline{\mathrm{AC}}\\&=\frac12r_1\{(5+2\sqrt2)+7+(5-2\sqrt2)\}=\frac{17}2r_1.\end{aligned}따라서 (5)에 의하여172r1=ABC\displaystyle \frac{17}2r_1=\triangle\mathrm{ABC}의 넓이 =12ABACsin(BAC)\displaystyle =\frac12\overline{\mathrm{AB}}\cdot\overline{\mathrm{AC}}\cdot\sin(\angle\mathrm{BAC})=12(5+22)(522)32=1734\displaystyle =\frac12(5+2\sqrt2)(5-2\sqrt2)\cdot\frac{\sqrt3}2=\frac{17\sqrt3}4이므로r1=O1Q1=32\displaystyle r_1=\overline{\mathrm{O}_1\mathrm{Q}_1}=\frac{\sqrt3}2.

[문제 2-2]

+10점 · 두 직각삼각형 AOnQn\displaystyle \mathrm{AO}_n\mathrm{Q}_n, AOn+1Qn+1\displaystyle \mathrm{AO}_{n+1}\mathrm{Q}_{n+1}이 닮은 도형임을 이용하여 (12)와 같은 비례식을 얻은 경우

자연수 n\displaystyle n에 대하여 원 Cn\displaystyle C_n의 중심을 On\displaystyle \mathrm{O}_n, 반지름을 rn\displaystyle r_n이라고 하자. <그림 5>에서와 같이 두 직각삼각형 AOnQn\displaystyle \mathrm{AO}_n\mathrm{Q}_n, AOn+1Qn+1\displaystyle \mathrm{AO}_{n+1}\mathrm{Q}_{n+1}이 닮은 도형이므로rn:rn+1=OnQn:On+1Qn+1=AOn:AOn+1=AOn:AOn(rn+rn+1)\displaystyle r_n:r_{n+1}=\overline{\mathrm{O}_n\mathrm{Q}_n}:\overline{\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{Q}_{n+1}}=\overline{\mathrm{AO}_n}:\overline{\mathrm{AO}_{n+1}}=\overline{\mathrm{AO}_n}:\overline{\mathrm{AO}_n}-(r_n+r_{n+1}). (12)\displaystyle (12)

원 Cn과 Cn+1의 중심 및 반지름의 닮음 관계
<그림 5>
+10점 · OnAQn=On+1AQn+1=30\displaystyle \angle\mathrm{O}_n\mathrm{AQ}_n=\angle\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{AQ}_{n+1}=30^\circ임을 이용하여 (14)를 얻어낸 경우

(7)에 의하여 OnAQn=On+1AQn+1=O1AQ1=30\displaystyle \angle\mathrm{O}_n\mathrm{AQ}_n=\angle\mathrm{O}_{n+1}\mathrm{AQ}_{n+1}=\angle\mathrm{O}_1\mathrm{AQ}_1=30^\circ이므로rn=OnQn=AOnsin30=12AOn\displaystyle r_n=\overline{\mathrm{O}_n\mathrm{Q}_n}=\overline{\mathrm{AO}_n}\cdot\sin30^\circ=\frac12\overline{\mathrm{AO}_n}, 즉AOn=2rn.(13)\displaystyle \overline{\mathrm{AO}_n}=2r_n.\qquad(13)(12), (13)에 의하여 rn:rn+1=2rn:2rn(rn+rn+1)=2rn:rnrn+1\displaystyle r_n:r_{n+1}=2r_n:2r_n-(r_n+r_{n+1})=2r_n:r_n-r_{n+1}이므로,2rnrn+1=rn(rnrn+1)\displaystyle 2r_nr_{n+1}=r_n(r_n-r_{n+1}), 즉rn+1=13rn\displaystyle r_{n+1}=\frac13r_n. (14)\displaystyle (14)

+5점 · (15)와 같이 rn\displaystyle r_n의 일반항을 구한 경우

(7), (14)에 의하여 수열 rn\displaystyle r_n은 첫째항 r1=32\displaystyle r_1=\frac{\sqrt3}2, 공비 13\displaystyle \frac13인 등비수열이므로rn=32(13)n1=323n1,n=1,2,3,(15)\displaystyle r_n=\frac{\sqrt3}2\cdot\left(\frac13\right)^{n-1}=\frac{\sqrt3}{2\cdot3^{n-1}},\quad n=1,2,3,\ldots\qquad(15)

+5점 · (16)과 같이 Sn\displaystyle S_n의 일반항을 구한 경우

(15)에 의하여Sn=πrn2=π{323n1}2=3π4(19)n1,n=1,2,3,(16)\displaystyle S_n=\pi r_n^2=\pi\cdot\left\{\frac{\sqrt3}{2\cdot3^{n-1}}\right\}^2=\frac{3\pi}4\cdot\left(\frac19\right)^{n-1},\quad n=1,2,3,\ldots\qquad(16)

+5점 · (17)과 같이 n=1NSn\displaystyle \sum_{n=1}^N S_n을 구한 경우

(16)에 의하여 수열 Sn\displaystyle S_n이 첫째항 3π4\displaystyle \frac{3\pi}4, 공비 19\displaystyle \frac19인 등비수열이므로n=1NSn=3π41(19)N119=27π32(119N),N=1,2,3,(17)\displaystyle \sum_{n=1}^N S_n=\frac{3\pi}4\cdot\frac{1-\left(\frac19\right)^N}{1-\frac19}=\frac{27\pi}{32}\left(1-\frac1{9^N}\right),\quad N=1,2,3,\ldots\qquad(17)

[문제 2-3]

+15점 · (18)과 같이 주어진 조건을 로그를 이용하여 변형한 경우

(16)에 의하여log4Snπ=log132n3=(2n3)log3,n=1,2,3,\displaystyle \log\frac{4S_n}\pi=\log\frac1{3^{2n-3}}=-(2n-3)\log3,\quad n=1,2,3,\ldots이므로Sn<π410104Snπ<1010log4Snπ<10(2n3)log3>10n>12(10log3+3).(18)\displaystyle \begin{aligned}S_n<\frac\pi4\cdot10^{-10}&\Leftrightarrow\frac{4S_n}\pi<10^{-10}\Leftrightarrow\log\frac{4S_n}\pi<-10\Leftrightarrow(2n-3)\log3>10\\&\Leftrightarrow n>\frac12\left(\frac{10}{\log3}+3\right).\end{aligned}\qquad(18)

+10점 · 0.477<log3<0.5\displaystyle 0.477<\log3<0.5를 이용하여 (19)와 같은 결과를 얻은 경우

12(100.5+3)=11.5\displaystyle \frac12\left(\frac{10}{0.5}+3\right)=11.5, 12(100.477+3)=11.9\displaystyle \frac12\left(\frac{10}{0.477}+3\right)=11.9\ldots이므로, 0.477<log3<0.5\displaystyle 0.477<\log3<0.5를 이용하면11.5<12(10log3+3)<11.9(19)\displaystyle 11.5<\frac12\left(\frac{10}{\log3}+3\right)<11.9\ldots\qquad(19)

+5점 · 자연수 n\displaystyle n의 최솟값을 구한 경우

(18), (19)에 의하여 주어진 조건 Sn<π41010\displaystyle S_n<\frac\pi4\cdot10^{-10}을 만족하는 자연수 n\displaystyle n의 최솟값은 12\displaystyle 12이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.