수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 3번

문제

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해설강의 준비중

논술 직선에 접하는 원의 배치

관련 개념강의 준비중

(1) 주어진 두 직선 l1,l2\displaystyle l_1,l_2y=x\displaystyle y=x 대칭이므로 원의 중심 (xn,yn)\displaystyle (x_n,y_n)y=x\displaystyle y=x 위의 점 (xn,xn)\displaystyle (x_n,x_n)으로 주어진다. 구하는 원 Cn\displaystyle C_n의 반지름 rn\displaystyle r_n은 직선 y=1+tanθ1tanθx\displaystyle y=\frac{1+\tan\theta}{1-\tan\theta}x(xn,xn)\displaystyle (x_n,x_n)의 거리이므로rn=1+tanθ1tanθxnxn(1+tanθ1tanθ)2+1=(2tanθ2secθ)xn=2sinθxn\displaystyle r_n=\frac{\left|\frac{1+\tan\theta}{1-\tan\theta}x_n-x_n\right|}{\sqrt{\left(\frac{1+\tan\theta}{1-\tan\theta}\right)^2+1}}=\left(\frac{2\tan\theta}{\sqrt2\sec\theta}\right)x_n=\sqrt2\sin\theta\,x_n 이다.따라서 중심의 좌표는 (xn,yn)=(12sinθrn,12sinθrn)\displaystyle (x_n,y_n)=\left(\frac1{\sqrt2\sin\theta}r_n,\frac1{\sqrt2\sin\theta}r_n\right)이다.

(2) 두 원 Cn,Cn+1\displaystyle C_n,C_{n+1}의 중심점 사이의 거리는 두 원의 반지름의 합과 같으므로 다음 식을 얻는다.rn+rn+1=2(xnxn+1)=1sinθ(rnrn+1)\displaystyle r_n+r_{n+1}=\sqrt2(x_n-x_{n+1})=\frac1{\sin\theta}(r_n-r_{n+1})따라서 구하는 반지름의 비율 rn+1rn=1sinθ1+sinθ\displaystyle \frac{r_{n+1}}{r_n}=\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta} 이다.

(3) 원 Cn\displaystyle C_n의 둘레는 2πrn\displaystyle 2\pi r_n 이므로 주어진 문제는 공비가 rn+1rn=1sinθ1+sinθ\displaystyle \frac{r_{n+1}}{r_n}=\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta}(=상수) 로 주어진 무한등비급수이다. 이때, 주어진 0<θ<π4\displaystyle 0<\theta<\frac\pi4 에 대하여 반지름의 비율 rn+1rn=1sinθ1+sinθ\displaystyle \frac{r_{n+1}}{r_n}=\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta}이 구간 (212+1,1)\displaystyle \left(\frac{\sqrt2-1}{\sqrt2+1},1\right)에 속하므로 무한등비급수는 수렴하며 값은2πr11rn+1rn=2πr111sinθ1+sinθ=2015π(1+sinθsinθ)\displaystyle \frac{2\pi r_1}{1-\frac{r_{n+1}}{r_n}}=\frac{2\pi r_1}{1-\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta}}=2015\pi\left(\frac{1+\sin\theta}{\sin\theta}\right) 이다.

(4) 공비 rn+1rn=1sinθ1+sinθ\displaystyle \frac{r_{n+1}}{r_n}=\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta}r\displaystyle r이라 하면 원 Cn\displaystyle C_n의 반지름 rn\displaystyle r_nrn=1rn1\displaystyle r_n=1\cdot r^{n-1}으로 표시되며 수열 an=2rnrn+1rn+rn+1\displaystyle a_n=\frac{2\sqrt{r_nr_{n+1}}}{\sqrt{r_n}+\sqrt{r_{n+1}}}은 다음과 같이 변형된다.an=2rnrn+1rn+rn+1=2r2n12rn12+rn2=2rr+1(r)n1\displaystyle a_n=\frac{2\sqrt{r_nr_{n+1}}}{\sqrt{r_n}+\sqrt{r_{n+1}}}=\frac{2r^{\frac{2n-1}2}}{r^{\frac{n-1}2}+r^{\frac n2}}=\frac{2\sqrt r}{\sqrt r+1}(\sqrt r)^{n-1}따라서 수열 an\displaystyle a_n은 첫째 항이 2rr+1\displaystyle \frac{2\sqrt r}{\sqrt r+1}이고 공비가 r\displaystyle \sqrt r인 등비수열이다. 공비 r\displaystyle \sqrt r1\displaystyle 1보다 작은 양수이므로 주어진 무한급수의 합은(2rr+1)1r=2r1r=2(1sinθcosθ)11sinθ1+sinθ=cosθsinθ=cotθ\displaystyle \frac{\left(\frac{2\sqrt r}{\sqrt r+1}\right)}{1-\sqrt r}=\frac{2\sqrt r}{1-r}=\frac{2\left(\frac{1-\sin\theta}{\cos\theta}\right)}{1-\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta}}=\frac{\cos\theta}{\sin\theta}=\cot\theta 으로 구해진다.(여기서 r=1sinθ1+sinθ=(1sinθ)2(1sin2θ)=1sinθcosθ\displaystyle \sqrt r=\sqrt{\frac{1-\sin\theta}{1+\sin\theta}}=\sqrt{\frac{(1-\sin\theta)^2}{(1-\sin^2\theta)}}=\frac{1-\sin\theta}{\cos\theta} 이다.)따라서 주어진 문제는limθ+0θ(n=12rnrn+1rn+rn+1)=limθ+0θ(cotθ)=1\displaystyle \lim_{\theta\to+0}\theta\left(\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2\sqrt{r_nr_{n+1}}}{\sqrt{r_n}+\sqrt{r_{n+1}}}\right)=\lim_{\theta\to+0}\theta(\cot\theta)=1 로 구해진다.

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