수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오전) 3번

문제

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해설강의 준비중
+4점 · ‘회전 도형’이 훑고 지나간 도형의 형태를 구하고 과정을 설명함 (2점) ‘회전 도형’이 훑고 지나간 면적을 구함 (2점)

(1) 정삼각형이 차지하는 (i) 영역과, 꼭짓점의 궤적에 포함되는 (ii) 영역의 합으로 나누어 생각할 수 있다.

정삼각형이 회전하며 훑는 세 삼각형과 세 반원 영역.

(i) 영역: 정삼각형 3\displaystyle 3개, 한 변의 길이 3\displaystyle \sqrt{{3}}: 총 넓이 3×(334)\displaystyle 3 \times \left( \frac{{3 \sqrt{{3}}}}{{4}} \right)

(ii) 영역: 부채꼴 3\displaystyle 3개, 반지름 3\displaystyle \sqrt{{3}}, 중심각 π\displaystyle \pi : 총 넓이 3×(3π/2)\displaystyle 3 \times ( 3 \pi / 2 )

총 넓이 934+9π2\displaystyle \frac{{9 \sqrt{{3}}}}{{4}} + \frac{{9 \pi }}{{2}}

+6점 · 중심과 두 연이은 꼭지점이 이루는 각이 2π/n\displaystyle 2\pi/n임을 설명함 (2점) rn\displaystyle r_n을 포함하는 이등변삼각형을 나타냄 (2점) cos(π2n)=rn/2\displaystyle \cos\left(\frac\pi{2n}\right)=r_n/2임을 이용하여 rn\displaystyle r_n의 값을 구함 (2점)

(2) 정 n\displaystyle n각형의 중심을 O\displaystyle {{O}}라고 한다 (예시 그림: n=5\displaystyle n = 5인 경우)

정n각형에서 가장 먼 두 꼭짓점 사이의 거리 rn을 구하는 보조선.

이등변삼각형 OBD\displaystyle {{O B D}}에서 BOD=2π/n\displaystyle \angle B O D = 2 \pi / n이므로,

COD=1/2×BOD=π/n\displaystyle \angle C O D = 1 / 2 \times \angle B O D = \pi / n

AOD=πCOD=n1nπ\displaystyle \angle A O D = \pi - \angle C O D = \frac{{n - 1}}{{n}} \pi 이므로,

이등변삼각형 AOD\displaystyle {{A O D}}에서 OAD=ODA=(πn1nπ)/2=π2n\displaystyle \angle O A D = \angle O D A = \left( \pi - \frac{{n - 1}}{{n}} \pi \right) / 2 = \frac{{\pi }}{{2 n}}

cos(ODA)=cos(π2n)=DE1=rn/2\displaystyle \cos ( \angle O D A ) = \cos \left( \frac{{\pi }}{{2 n}} \right) = \frac{{\overline{{D E}}}}{{1}} = r_{{n}} / 2

rn=2cos(π2n)\displaystyle r_{{n}} = 2 \cos \left( \frac{{\pi }}{{2 n}} \right)

+10점 · rn\displaystyle r_n을 변으로 갖는 이등변삼각형과 rn\displaystyle r_n을 반지름으로 갖는 부채꼴로 이루어짐을 설명함 (2점) 이등변삼각형과 부채꼴 각각의 면적을 구함 (3점) Sn\displaystyle S_n의 식과 limkS2k+1\displaystyle \lim_{k\to\infty}S_{2k+1}의 극한값을 구함 (3점) 극한을 취할 시 정다각형의 형태가 원이 되는 것을 설명함 (2점)

(3) n\displaystyle n개의 (i) 영역 및 (ii) 영역의 합으로 생각할 수 있다. 이때 (i)은 정 n\displaystyle n각형의 한 변과 두 개의 가장 먼 두 꼭짓점 사이를 잇는 선분으로 이루어진 이등변삼각형이고, (ii)는 rn\displaystyle r_{{n}}을 반지름으로 갖는 부채꼴이다.

정n각형의 회전으로 생기는 이등변삼각형 i와 부채꼴 ii.

CAB\displaystyle \angle C A B는 정 n\displaystyle n각형의 내각이므로 CAB=π(n2n)\displaystyle \angle C A B = \pi \left( \frac{{n - 2}}{{n}} \right)

이등변삼각형 ABE\displaystyle {{A B E}}에 대하여 위 문제에서 AEB2=π2n\displaystyle \frac{{\angle A E B}}{{2}} = \frac{{\pi }}{{2 n}}이므로 EAB=π2(n1n)\displaystyle \angle E A B = \frac{{\pi }}{{2}} \left( \frac{{n - 1}}{{n}} \right)

A\displaystyle {{A}}주위로 2π=DAE+2EAB+CAB\displaystyle 2 \pi = \angle D A E + 2 \angle E A B + \angle C A B이므로 DAE=3π/n\displaystyle \angle D A E = 3 \pi / n

위 문제에서 주어진 것과 같이 rn=2cos(π2n)\displaystyle r_{{n}} = 2 \cos \left( \frac{{\pi }}{{2 n}} \right)

(i) 이등변삼각형 n\displaystyle n개, 긴 변 rn=2cos(π2n)\displaystyle r_{{n}} = 2 \cos \left( \frac{{\pi }}{{2 n}} \right), 사이각 π/n\displaystyle \pi / n:

총 넓이 n×(2cosπ2n)2×sin(π/n)2\displaystyle n \times \left( 2 \cos \frac{{\pi }}{{2 n}} \right)^{{2}} \times \frac{{\sin ( \pi / n )}}{{2}}

(ii) 부채꼴 n\displaystyle n개, 반지름 rn=2cos(π2n)\displaystyle r_{{n}} = 2 \cos \left( \frac{{\pi }}{{2 n}} \right), 중심각 3π/n\displaystyle 3 \pi / n:

총 넓이 n×(2cosπ2n)2×3π2n\displaystyle n \times \left( 2 \cos \frac{{\pi }}{{2 n}} \right)^{{2}} \times \frac{{3 \pi }}{{2 n}}

Sn=4cos2(π2n)×(nsin(π/n)2+3π2)\displaystyle S_{{n}} = 4 \cos ^{{2}} \left( \frac{{\pi }}{{2 n}} \right) \times \left( \frac{{n \sin ( \pi / n )}}{{2}} + \frac{{3 \pi }}{{2}} \right)

S2k+1=4cos2(π2(2k+1))×((2k+1)sin(π/(2k+1))2+3π2)\displaystyle S_{{2 k + 1}} = 4 \cos ^{{2}} \left( \frac{{\pi }}{{2 ( 2 k + 1 )}} \right) \times \left( \frac{{( 2 k + 1 ) \sin ( \pi / ( 2 k + 1 ) )}}{{2}} + \frac{{3 \pi }}{{2}} \right)

limkS2k+1=8π\displaystyle \lim _{{k \to \infty }} S_{{2 k + 1}} = 8 \pi

극한을 취하면 반지름 1\displaystyle 1인 원 ‘회전도형‘이 반지름 1\displaystyle 1인 원 ‘고정도형‘의 둘레에 접하며 움직이는 것과 같다 (\displaystyle (아래 그림과 같이 반지름 3\displaystyle 3인 원의 중심에 반지름 1\displaystyle 1인 구멍이 뚫린 영역)

반지름 1인 원이 다른 단위원 둘레를 회전하며 만드는 고리 영역.

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