수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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논제I-(1) Pk(xk,yk,zk)\displaystyle P_{k} ( x_{k} , y_{k} , z_{k} ) 가 주어졌을 때, Pk+1(xk+1,yk+1,zk+1)\displaystyle P_{k+1} ( x_{k + 1} , y_{k + 1} , z_{k + 1} ) 은 다음 식을 만족하므로,

(xk+1yk+1)=A(xkyk),zk+1=rzk\displaystyle \left( \begin{gathered}x_{k + 1} \\ y_{k + 1}\end{gathered} \right) = A \left( \begin{gathered}x_{k} \\ y_{k}\end{gathered} \right) , z_{k + 1} = r z_{k} (A=r(cosθsinθsinθcosθ)\displaystyle A = r {\begin{pmatrix}\cos \theta & - \sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta\end{pmatrix}})

다음의 식을 얻을 수 있다.

(xk+1xkyk+1yk)=A(xkxk1ykyk1),\displaystyle \left( \begin{gathered}x_{k + 1} - x_{k} \\ y_{k + 1} - y_{k}\end{gathered} \right) = A \left( \begin{gathered}x_{k} - x_{k - 1} \\ y_{k} - y_{k - 1}\end{gathered} \right) , zkzk1=r(zk1zk2)\displaystyle z_{k} - z_{k - 1} = r ( z_{k - 1} - z_{k - 2} ) , k2\displaystyle k \geq 2.

좌표공간에서 변환으로 얻은 세 점

따라서

Pk+1Pk=(rcosθ(xkxk1)rsinθ(ykyk1),rsinθ(xkxk1)+rcosθ(ykyk1),r(zkzk1))\displaystyle \overrightarrow{P{}_{k + 1}\mathrm{P}_{k}} = ( r \cos \theta ( x_{k} - x_{k - 1} ) - r \sin \theta ( y_{k} - y_{k - 1} ) , r \sin \theta ( x_{k} - x_{k - 1} ) + r \cos \theta ( y_{k} - y_{k - 1} ) , r ( z_{k} - z_{k - 1} ) ) 이고 계산하여서 정리하면,Correction. 왼쪽의 벡터 Pk+1Pk\displaystyle \overrightarrow{P_{k+1}P_k}PkPk+1\displaystyle \overrightarrow{P_kP_{k+1}}의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

Pk+1Pk=rPkPk1\displaystyle \left| \overrightarrow{P{}_{k + 1}\mathrm{P}_{k}} \right| = r \left| \overrightarrow{P{}_{k}\mathrm{P}_{k - 1}} \right| (1-1)

이므로, lk\displaystyle l_{k} 는 초항이 a\displaystyle a이고 등비가 r\displaystyle r인 등비급수이다. 따라서 일반항은

lk=ark1\displaystyle l_{k} = a r^{k - 1} 이다.

논제I-(2)

변환의 관계식으로부터,

(xk+1,yk+1,zk+1)=(rcosθxkrsinθyk,rsinθxkrcosθyk,rzk)\displaystyle ( x_{k + 1} , y_{k + 1} , z_{k + 1} ) = ( r \cos \theta x_{k} - r \sin \theta y_k, r \sin \theta x_{k} - r \cos \theta y_k, r z_{k} )Correction. 두 번째 좌표의 마지막 항 rcosθyk\displaystyle -r\cos\theta y_k+rcosθyk\displaystyle +r\cos\theta y_k의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

연속한 두 삼각형과 대응변

이므로

OPk+1=rOPk\displaystyle | \overrightarrow{OP_{k + 1}} | = r | \overrightarrow{OP_{k}} | (2-1)

이다.

삼각형 Tk\displaystyle T_{k} 의 세변을 a,b,c\displaystyle a , b , c 라고 할 때,

OPk1=a,Pk1Pk=b,OPk=c\displaystyle | \overline{OP_{k - 1}} | = a , | \overline{P{}_{k - 1}\mathrm{P}_{k}} | = b , | \overline{OP_{k}} | = c

위의 식 (2-1) 과 논제I-(1)에서의 식 (1-1) 에 의해 삼각형 Tk+1\displaystyle T_{k + 1}의 세변은 다음의 식을 만족한다.

OPk=ra,PkPk+1=rb,OPk+1=rc\displaystyle | \overline{OP_{k}} | = r a , | \overline{P{}_{k}\mathrm{P}_{k + 1}} | = r b , | \overline{OP_{k + 1}} | = r c

세변의 닮음비가 같으므로 삼각형 Tk+1,Tk\displaystyle T_{k + 1} , T_{k}는 닮음이다.

이것은 모든 k1\displaystyle k \ge 1 에 대하여 성립하므로 Tk(k2)\displaystyle T_{k} ( k \ge 2 )T1\displaystyle T_{1} 과 닮음이고, 따라서 모든 삼각형 Tk(k1)\displaystyle T_{k} ( k \ge 1 ) 들은 닮음이다.

논제I-(3)

논제I-(2)의 결과로서 {Tk}\displaystyle \{|T_k|\} 는 공비가 r2\displaystyle r^{2}인 등비급수이고, {OPk}\displaystyle \{|\overrightarrow{OP_k}|\} 는 공비가 r\displaystyle r인 등비급수이다. 각 수열의 초항은 다음과 같으며,

T1=12OP1OP0sinα\displaystyle | T_{1} | = \frac{1}{2} | \overrightarrow{OP_{1}} | | \overrightarrow{OP_{0}} | \sin \alpha ( 이 때 α\displaystyle \alphaOP1\displaystyle \overrightarrow{OP_{1}}OP0\displaystyle \overrightarrow{OP_{0}} 가 이루는 각), OP1\displaystyle | \overrightarrow{OP_{1}} | ,

P0=(1,0,1)\displaystyle P_{0} = ( 1 , 0 , 1 ) 이고 P1=(0,r,r)\displaystyle P_{1} = ( 0 , r , r ) 이므로 cosα\displaystyle \cos \alpha

OP0OP1=cosαOP0OP1\displaystyle \overrightarrow{OP}_{0} \cdot \overrightarrow{OP}_{1} = \cos \alpha | \overrightarrow{OP}_{0} | | \overrightarrow{OP}_{1} | 을 만족하므로 cosα=12\displaystyle \cos \alpha = \frac{1}{2} 이다.

따라서 T1=32r,OP1=2r\displaystyle | T_{1} | = \frac{\sqrt{3}}{2} r , | OP_{1} | = \sqrt{2} r 이고,

limnan=32r1r2,limnbn=2r1r\displaystyle \lim_{n \to \infty} {} a_{n} = \frac{{\sqrt{3}}}{2} \frac{{r}}{1 - r^{2}} , \lim_{n \to \infty} {b_{n}} = \sqrt{2} \frac{{r}}{1 - r} 이다.

함수 f(r)=limnan(limnbn)2=341rr(1+r)\displaystyle f ( r ) = \frac{{\lim_{n \to \infty} {a_{n}}}}{( \lim_{n \to \infty} b_{n} )^{2}} = \frac{\sqrt3}{4}\frac{1-r}{r(1+r)} 에 관하여 구간 [12,45]\displaystyle [ \frac{1}{2} , \frac{4}{5} ] 에서 최댓값을 찾기 위해서 미분을 이용하면 f(r)=34(r(1+2))(r(12))(r(r+1))2\displaystyle f^{\prime} ( r ) = \frac{{\sqrt{3}}}{4} \frac{{( r - ( 1 + \sqrt{2} ) ) ( r - ( 1 - \sqrt{2} ) )}}{( r ( r + 1 ) )^{2}} 이고 주어진 구간에서 f(x)\displaystyle f ( x )의 미분계수는 음수의 값을 가지므로 감소함수이다. 따라서 r=12\displaystyle r = \frac{1}{2} 일 때 최댓값 f(12)=36\displaystyle f ( \frac{1}{2} ) = \frac{{\sqrt{3}}}{6} 이다.

논제I-(4)

선분 P0P1\displaystyle P{}_{0}\mathrm{P}_{1} 상의 점들은 다음 식을 만족한다.

x010=yr0r=zr1r,(rz1)\displaystyle \frac{x-0}{1-0}=\frac{y-r}{0-r}=\frac{z-r}{1-r},\quad(r\le z\le1).

r=12\displaystyle r = \frac{1}{2} 일 때, 점 O\displaystyle O 에서 선분 P0P1\displaystyle P{}_{0}\mathrm{P}_{1} 으로의 수선의 발을 내렸을 때 끝점을 Q\displaystyle Q 라고 하자. 회전체의 부피는 QP0O\displaystyle \triangle QP_{0} OP0Q\displaystyle \overline{P_{0} Q} 를 회전축으로 회전하여 얻는 원뿔 V1\displaystyle V_{1} 의 부피와 QP1O\displaystyle \triangle Q P_{1} OP1Q\displaystyle \overline{P_{1} Q} 를 회전축으로 회전하여 얻는 원뿔 V2\displaystyle V_{2} 의 부피의 합이 된다.

원점과 회전축에 내린 수선의 발

수선의 발의 끝점 Q\displaystyle Q(x,y,z)=(2z1,z+1,z)\displaystyle ( x , y , z ) = ( 2 z - 1 , - z + 1 , z ) 라 두고, 직선 P1P0\displaystyle \overrightarrow{P{}_{1}\mathrm{P}_{0}} 와 수직임을 이용하면 z=12\displaystyle z = \frac{1}{2} 이고 따라서 Q\displaystyle Q(0,12,12)\displaystyle ( 0 , \frac{{1}}{2} , \frac{{1}}{2} ) 이다. OQ=22,QP0=62,QP1=0\displaystyle | \overrightarrow{OQ} | = \frac{\sqrt2}{2}, | \overrightarrow{QP_{0}} | = \frac{{\sqrt{6}}}{2} , | \overrightarrow{QP_{1}} | = 0이므로,

V1=13π(22)262=612π,V2=0\displaystyle V_{1} = \frac{{1}}{3} \pi ( \frac{{\sqrt{2}}}{2} )^{2} \frac{{\sqrt{6}}}{2} = \frac{{\sqrt{6}}}{12} \pi , V_{2} = 0 이다.

따라서 회전체의 부피 V(=V1+V2)\displaystyle V ( = V_{1} + V_{2} )612π\displaystyle \frac{{\sqrt{6}}}{12} \pi 이다.

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