수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

[문제 3] 다음 제시문 <가>와 <나>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 좌표평면 위의 점 An\displaystyle \mathrm{A}_n (n=1,2,3,⋯\displaystyle n=1,2,3,\cdots)은 그림과 같이 주어지고 다음 규칙을 만족한다.① 점 A1\displaystyle \mathrm{A}_1의 좌표는 (0,1)\displaystyle (0,1)이다.② 선분 AnAn+1\displaystyle \mathrm{A}_n\mathrm{A}_{n+1}은 선분 An+1An+2\displaystyle \mathrm{A}_{n+1}\mathrm{A}_{n+2}와 수직이다.③ An+1An+2‾=r×AnAn+1‾\displaystyle \overline{\mathrm{A}_{n+1}\mathrm{A}_{n+2}}=r\times\overline{\mathrm{A}_n\mathrm{A}_{n+1}}이며 0<r<1\displaystyle 0<r<1이다.

직각으로 이어지며 길이가 r배씩 줄어드는 선분

<나> 첫째항이 a\displaystyle a 공비가 p\displaystyle p인 등비급수는 ∣p∣<1\displaystyle |p|<1일 때 수렴하고 그 합은 a1−p\displaystyle \frac a{1-p}이다.

3-1. 제시문 <가>에서 점 An\displaystyle \mathrm{A}_n의 좌표를 (xn,yn)\displaystyle (x_n,y_n)이라 할 때, lim⁡n→∞xn\displaystyle \lim_{n\to\infty}x_n과 lim⁡n→∞yn\displaystyle \lim_{n\to\infty}y_n을 r\displaystyle r로 나타내시오. [10점]Comment. 3-1과 3-2는 첫 선분 A1A2\displaystyle \mathrm A_1\mathrm A_2의 길이가 주어지지 않아 답을 한 가지로 정할 수 없는 출제 오류 문항이다. 그림과 같은 방향으로 그려도 첫 길이가 달라지면 3-1의 극한점이 달라진다. 3-2에서도 첫 길이를 두 배로 하면 각 원기둥의 반지름과 높이가 두 배가 되어 옆넓이의 합은 네 배가 된다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

3-2. 제시문 <가>에 주어진 그림에서 y\displaystyle y축과 평행한 선분 A2nA2n+1\displaystyle \mathrm{A}_{2n}\mathrm{A}_{2n+1}을 y\displaystyle y축 중심으로 회전시켜 생기는 원기둥 옆면의 겉넓이를 Sn\displaystyle S_n이라 하자. r=5−12\displaystyle r=\frac{\sqrt5-1}2일 때, ∑n=1∞Sn\displaystyle \sum_{n=1}^\infty S_n의 값을 구하시오. [20점]

해설강의 준비중
+5점 · 3-1

3-1. [풀이]점 A1\displaystyle \mathrm{A}_1의 좌표가 (0,1)\displaystyle (0,1), 점 A2\displaystyle \mathrm{A}_2의 좌표가 (x2,y2)\displaystyle (x_2,y_2)이므로 벡터 OA1→=(0,1)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{OA}_1}=(0,1),벡터 A1A2→=(x2,y2−1)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_1\mathrm{A}_2}=(x_2,y_2-1)이다.A1A2→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_1\mathrm{A}_2}를 벡터 a⃗\displaystyle \vec a라 하면, 벡터 b⃗=(y2−1,−x2)\displaystyle \vec b=(y_2-1,-x_2)는 a⃗\displaystyle \vec a와 수직이고 ∣b⃗∣=∣a⃗∣\displaystyle |\vec b|=|\vec a|.점 A3\displaystyle \mathrm{A}_3의 좌표가 (x3,y3)\displaystyle (x_3,y_3)이므로 벡터 A2A3→=(x3−x2,y3−y2)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_2\mathrm{A}_3}=(x_3-x_2,y_3-y_2)는 제시문 <가>의 규칙에 의해 벡터 A1A2→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_1\mathrm{A}_2}에 수직이므로 벡터 b⃗\displaystyle \vec b에 평행하고 크기가 r\displaystyle r배 작아진다.따라서 A2A3→=rb⃗\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_2\mathrm{A}_3}=r\vec b이다.점 A3\displaystyle \mathrm{A}_3의 좌표 (x3,y3)\displaystyle (x_3,y_3)은 다음과 같이 벡터합을 이용해 구할 수 있다.(x3,y3)=OA3→=OA1→+A1A2→+A2A3→=(0,1)+(x2,y2−1)+r(y2−1,−x2)=(x2+r(y2−1),y2−rx2)\displaystyle \begin{aligned}(x_3,y_3)&=\overrightarrow{\mathrm{OA}_3}=\overrightarrow{\mathrm{OA}_1}+\overrightarrow{\mathrm{A}_1\mathrm{A}_2}+\overrightarrow{\mathrm{A}_2\mathrm{A}_3}=(0,1)+(x_2,y_2-1)+r(y_2-1,-x_2)\\&=(x_2+r(y_2-1),y_2-rx_2)\end{aligned}마찬가지로, 벡터 A3A4→=(x4−x3,y4−y3)\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_3\mathrm{A}_4}=(x_4-x_3,y_4-y_3)는 벡터 A2A3→\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_2\mathrm{A}_3}에 수직,즉 a⃗\displaystyle \vec a와 반대 방향이고 크기는 다시 r\displaystyle r배 더 작아지므로A3A4→=−r2a⃗\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_3\mathrm{A}_4}=-r^2\vec a이다. 따라서 점 A4\displaystyle \mathrm{A}_4의 좌표 (x4,y4)\displaystyle (x_4,y_4)는(x4,y4)=OA4→=OA3→+A3A4→=(x2+r(y2−1),y2−rx2)−r2(x2,y2−1)=(x2+r(y2−1)−r2x2,y2−rx2−r2(y2−1)).\displaystyle \begin{aligned}(x_4,y_4)&=\overrightarrow{\mathrm{OA}_4}=\overrightarrow{\mathrm{OA}_3}+\overrightarrow{\mathrm{A}_3\mathrm{A}_4}=(x_2+r(y_2-1),y_2-rx_2)-r^2(x_2,y_2-1)\\&=(x_2+r(y_2-1)-r^2x_2,y_2-rx_2-r^2(y_2-1)).\end{aligned}같은 방법으로 A4A5→=−r3b⃗\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_4\mathrm{A}_5}=-r^3\vec b이 되고, 점 A5\displaystyle \mathrm{A}_5의 좌표 (x5,y5)\displaystyle (x_5,y_5)는(x5,y5)=OA5→=OA4→+A4A5→=(x2+r(y2−1)−r2x2,y2−rx2−r2(y2−1))−r3(y2−1,−x2)=(x2+r(y2−1)−r2x2−r3(y2−1),y2−rx2−r2(y2−1)+r3x2).\displaystyle \begin{aligned}(x_5,y_5)&=\overrightarrow{\mathrm{OA}_5}=\overrightarrow{\mathrm{OA}_4}+\overrightarrow{\mathrm{A}_4\mathrm{A}_5}=(x_2+r(y_2-1)-r^2x_2,y_2-rx_2-r^2(y_2-1))-r^3(y_2-1,-x_2)\\&=(x_2+r(y_2-1)-r^2x_2-r^3(y_2-1),y_2-rx_2-r^2(y_2-1)+r^3x_2).\end{aligned}

누적 10점 · 3-1

A2n−1A2n→=(−1)n−1r2n−2a⃗\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_{2n-1}\mathrm{A}_{2n}}=(-1)^{n-1}r^{2n-2}\vec a, A2nA2n+1→=(−1)n+1r2n−1b⃗\displaystyle \overrightarrow{\mathrm{A}_{2n}\mathrm{A}_{2n+1}}=(-1)^{n+1}r^{2n-1}\vec b임을 써서 위의 과정을 반복하면, 점 An\displaystyle \mathrm{A}_n의 좌표 (xn,yn)\displaystyle (x_n,y_n)은 n→∞\displaystyle n\to\infty의 극한에서 등비급수가 포함된 식으로 나타내어지며 그 극한값은 다음과 같다.lim⁡n→∞xn=x2(1−r2+r4−⋯ )+(y2−1)r(1−r2+r4−⋯ )=x2+(y2−1)r1+r2\displaystyle \lim_{n\to\infty}x_n=x_2(1-r^2+r^4-\cdots)+(y_2-1)r(1-r^2+r^4-\cdots)=\frac{x_2+(y_2-1)r}{1+r^2}lim⁡n→∞yn=1+(y2−1)(1−r2+r4−⋯ )−x2r(1−r2+r4−⋯ )=r2−x2r+y21+r2\displaystyle \lim_{n\to\infty}y_n=1+(y_2-1)(1-r^2+r^4-\cdots)-x_2r(1-r^2+r^4-\cdots)=\frac{r^2-x_2r+y_2}{1+r^2}

+5점 · 3-2

3-2. [풀이]선분 A2nA2n+1\displaystyle \mathrm{A}_{2n}\mathrm{A}_{2n+1}가 y\displaystyle y축과 평행하려면 선분 A1A2\displaystyle \mathrm{A}_1\mathrm{A}_2가 y\displaystyle y축에 수직인 경우에 해당한다.(a=A1A2‾=∣x2∣\displaystyle a=\overline{\mathrm{A}_1\mathrm{A}_2}=|x_2|)선분 A2A3\displaystyle \mathrm{A}_2\mathrm{A}_3에 의한 원기둥의 옆 면적 =2πa⋅ar=2πa2r\displaystyle =2\pi a\cdot ar=2\pi a^2r선분 A4A5\displaystyle \mathrm{A}_4\mathrm{A}_5에 의한 원기둥의 옆 면적 =2π(a−ar2)⋅ar3=2πa2(r3−r5)\displaystyle =2\pi(a-ar^2)\cdot ar^3=2\pi a^2(r^3-r^5)선분 A6A7\displaystyle \mathrm{A}_6\mathrm{A}_7에 의한 원기둥의 옆 면적 =2π(a−ar2+ar4)⋅ar5=2πa2(r5−r7+r9)\displaystyle =2\pi(a-ar^2+ar^4)\cdot ar^5=2\pi a^2(r^5-r^7+r^9)선분 A8A9\displaystyle \mathrm{A}_8\mathrm{A}_9에 의한 원기둥의 옆 면적=2π(a−ar2+ar4−ar6)⋅ar7=2πa2(r7−r9+r11−r13)\displaystyle =2\pi(a-ar^2+ar^4-ar^6)\cdot ar^7=2\pi a^2(r^7-r^9+r^{11}-r^{13})선분 A10A11\displaystyle \mathrm{A}_{10}\mathrm{A}_{11}에 의한 원기둥의 옆 면적=2π(a−ar2+ar4−ar6+ar8)⋅ar9=2πa2(r9−r11+r13−r15+r17)\displaystyle =2\pi(a-ar^2+ar^4-ar^6+ar^8)\cdot ar^9=2\pi a^2(r^9-r^{11}+r^{13}-r^{15}+r^{17})선분 A12A13\displaystyle \mathrm{A}_{12}\mathrm{A}_{13}에 의한 원기둥의 옆 면적=2π(a−ar2+ar4−ar6+ar8−ar10)⋅ar11=2πa2(r11−r13+r15−r17+r19−r21)\displaystyle =2\pi(a-ar^2+ar^4-ar^6+ar^8-ar^{10})\cdot ar^{11}=2\pi a^2(r^{11}-r^{13}+r^{15}-r^{17}+r^{19}-r^{21})

누적 15점 · 3-2

따라서 각 면적을 모두 더하면 다음과 같다.∑n=1∞Sn=2πa2{r+r3−r5+r5−r7+r9+r7−r9+r11−r13+r9−r11+r13−r15+r17+r11−r13+r15−r17+r19−r21+⋯\displaystyle \sum_{n=1}^\infty S_n=2\pi a^2\left\{\begin{aligned}&r\\&\quad+r^3-r^5\\&\quad+r^5-r^7+r^9\\&\quad+r^7-r^9+r^{11}-r^{13}\\&\quad+r^9-r^{11}+r^{13}-r^{15}+r^{17}\\&\quad+r^{11}-r^{13}+r^{15}-r^{17}+r^{19}-r^{21}\\&\quad+\cdots\end{aligned}\right.이 식에서 세로 줄의 항들이 각각 등비급수를 이루는 것을 알 수 있다. 제시문 <나>를 써서 합을 구하면 아래와 같다.∑n=1∞Sn=2πa2{r(1+r2+r4+⋯ )−r5(1+r2+r4+⋯ )+r9(1+r2+r4+⋯ )−r13(1+r2+r4+⋯ )+⋯ }=2πa2r(1+r2+r4+⋯ )(1−r4+r8−⋯ )=2πa2r(1+r4)(1−r2)\displaystyle \begin{aligned}\sum_{n=1}^\infty S_n&=2\pi a^2\{r(1+r^2+r^4+\cdots)-r^5(1+r^2+r^4+\cdots)+r^9(1+r^2+r^4+\cdots)-r^{13}(1+r^2+r^4+\cdots)+\cdots\}\\&=2\pi a^2r(1+r^2+r^4+\cdots)(1-r^4+r^8-\cdots)\\&=\frac{2\pi a^2r}{(1+r^4)(1-r^2)}\end{aligned}

누적 20점 · 3-2

r=5−12\displaystyle r=\frac{\sqrt5-1}2은 이차방정식 r2+r−1=0\displaystyle r^2+r-1=0의 해이다.r2=1−r\displaystyle r^2=1-r이므로∑n=1∞Sn=2πa2r3(1−r)⋅r=2πa2311−r=2π(x2)23⋅3+52\displaystyle \sum_{n=1}^\infty S_n=2\pi a^2\frac r{3(1-r)\cdot r}=\frac{2\pi a^2}3\frac1{1-r}=\frac{2\pi(x_2)^2}3\cdot\frac{3+\sqrt5}2.

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