수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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논술 직선에 접하는 원의 배치

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[1-1 풀이]

[풀이] 내접원 C1\displaystyle C_{1}의 중심 P1(r,r)\displaystyle P_{1} ( r , r )에서 직선 y=34x+3\displaystyle y = - \frac{{3}}{4} x + 3까지의 거리가 r\displaystyle r을 만족하는 값 중 삼각형의 내부에 위치한 점을 찾으면 r=1\displaystyle r = 1이다. (r=6\displaystyle r = 6인 경우는 삼각형의 외부에 있음) 그러므로 내접원의 반지름은 1로 내접원의 방정식은 (x1)2+(y1)2=1\displaystyle ( x - 1 )^{2} + ( y - 1 )^{2} = 1 이다.

[1-2 풀이]

[풀이] 원 C1\displaystyle C_{1}의 반지름을 r1\displaystyle r_{1}, C2\displaystyle C_{2}의 반지름을 r2\displaystyle r_{2}라 할 때, 원의 중심을 지나는 직선의 기울기가 tan45\displaystyle \tan 45^{\circ}이므로 r1\displaystyle r_{1}r2\displaystyle r_{2}r1r2:r1+r2=1:2\displaystyle r_{1} - r_{2} : r_{1} + r_{2} = 1 : \sqrt{2}를 만족한다. 이 식을 정리하면 r1+r2=2(r1r2)\displaystyle r_{1} + r_{2} = \sqrt{2} ( r_{1} - r_{2} )이다. r1=1\displaystyle r_{1} = 1이므로 r2=322\displaystyle r_{2} = 3 - 2 \sqrt{2}이고 r1r2=3+22\displaystyle \frac{{r_{1}}}{r_{2}} = 3 + 2 \sqrt{2}이다. 같은 원리로 rn1rn=3+22\displaystyle \frac{{r_{n - 1}}}{r_{n}} = 3 + 2 \sqrt{2}. P1P2P2P3=r1+r2r2+r3=r2r3=r1r2=3+22\displaystyle \frac{{{\overline{P{}_{1}\mathrm{P}_{2}}}}}{{\overline{P{}_{2}\mathrm{P}_{3}}}} = \frac{{r_{1} + r_{2}}}{r_{2} + r_{3}} = \frac{{r_{2}}}{r_{3}} = \frac{{r_{1}}}{r_{2}} = 3 + 2 \sqrt{2}이다.

[1-3 풀이]

[풀이] 문제 1-2에서 r1=1\displaystyle r_{1} = 1, r2=322\displaystyle r_{2} = 3 - 2 \sqrt{2}rn=(322)rn1\displaystyle r_{n} = ( 3 - 2 \sqrt{2} ) r_{n - 1}이다. 길이의 비는 (322)\displaystyle ( 3 - 2 \sqrt{2} ), 넓이의 비는 그 제곱인 (17122)\displaystyle ( 17 - 12 \sqrt{2} )이므로, A1=π\displaystyle A_{1} = \pi, A2=(17122)π\displaystyle A_{2} = ( 17 - 12 \sqrt{2} ) \pi. 원의 넓이 비는 (17122)<1\displaystyle ( 17 - 12 \sqrt{2} ) < 1 이므로,

n=2An=(17122)1(17122)π=(38212)π\displaystyle \sum_{n = 2}^{\infty} A_{n} = \frac{{( 17 - 12 \sqrt{2} )}}{1 - ( 17 - 12 \sqrt{2} )} \pi = \left( \frac{{3}}{8} \sqrt{2} - \frac{{1}}{2} \right) \pi이다. 그러므로, 답은 38212\displaystyle \frac{{3}}{8} \sqrt{2} - \frac{{1}}{2}이다.

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