이화여대 2015학년도 모의 자연계열 II 3번 · mathesis.kr/archive/ewha/2015mo/jayeon2_3
(1) 주어진 두 직선 l1,l2이 y=x 대칭이므로 원의 중심 (xn,yn)은 y=x 위의 점 (xn,xn)으로 주어진다. 구하는 원 Cn의 반지름 rn은 직선 y=1−tanθ1+tanθx 와 (xn,xn)의 거리이므로rn=(1−tanθ1+tanθ)2+11−tanθ1+tanθxn−xn=(2secθ2tanθ)xn=2sinθxn 이다.따라서 중심의 좌표는 (xn,yn)=(2sinθ1rn,2sinθ1rn)이다.
(2) 두 원 Cn,Cn+1의 중심점 사이의 거리는 두 원의 반지름의 합과 같으므로 다음 식을 얻는다.rn+rn+1=2(xn−xn+1)=sinθ1(rn−rn+1)따라서 구하는 반지름의 비율 rnrn+1=1+sinθ1−sinθ 이다.
(3) 원 Cn의 둘레는 2πrn 이므로 주어진 문제는 공비가 rnrn+1=1+sinθ1−sinθ(=상수) 로 주어진 무한등비급수이다. 이때, 주어진 0<θ<4π 에 대하여 반지름의 비율 rnrn+1=1+sinθ1−sinθ이 구간 (2+12−1,1)에 속하므로 무한등비급수는 수렴하며 값은1−rnrn+12πr1=1−1+sinθ1−sinθ2πr1=2015π(sinθ1+sinθ) 이다.
(4) 공비 rnrn+1=1+sinθ1−sinθ을 r이라 하면 원 Cn의 반지름 rn은 rn=1⋅rn−1으로 표시되며 수열 an=rn+rn+12rnrn+1은 다음과 같이 변형된다.an=rn+rn+12rnrn+1=r2n−1+r2n2r22n−1=r+12r(r)n−1따라서 수열 an은 첫째 항이 r+12r이고 공비가 r인 등비수열이다. 공비 r이 1보다 작은 양수이므로 주어진 무한급수의 합은1−r(r+12r)=1−r2r=1−1+sinθ1−sinθ2(cosθ1−sinθ)=sinθcosθ=cotθ 으로 구해진다.(여기서 r=1+sinθ1−sinθ=(1−sin2θ)(1−sinθ)2=cosθ1−sinθ 이다.)따라서 주어진 문제는θ→+0limθ(n=1∑∞rn+rn+12rnrn+1)=θ→+0limθ(cotθ)=1 로 구해진다.