논제I-(1) P k ( x k , y k , z k ) \displaystyle P_{k} ( x_{k} , y_{k} , z_{k} ) P k ( x k , y k , z k ) 가 주어졌을 때, P k + 1 ( x k + 1 , y k + 1 , z k + 1 ) \displaystyle P_{k+1} ( x_{k + 1} , y_{k + 1} , z_{k + 1} ) P k + 1 ( x k + 1 , y k + 1 , z k + 1 ) 은 다음 식을 만족하므로,
( x k + 1 y k + 1 ) = A ( x k y k ) , z k + 1 = r z k \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} ( x k + 1 y k + 1 ) = A ( x k y k ) , z k + 1 = r z k (A = r ( cos θ − sin θ sin θ cos θ ) \displaystyle A = r {\begin{pmatrix}\cos \theta & - \sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta\end{pmatrix}} A = r ( cos θ sin θ − sin θ cos θ ) )
다음의 식을 얻을 수 있다.
( x k + 1 − x k y k + 1 − y k ) = A ( x k − x k − 1 y k − y k − 1 ) , \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) , ( x k + 1 − x k y k + 1 − y k ) = A ( x k − x k − 1 y k − y k − 1 ) , z k − z k − 1 = r ( z k − 1 − z k − 2 ) \displaystyle z_{k} - z_{k - 1} = r ( z_{k - 1} - z_{k - 2} ) z k − z k − 1 = r ( z k − 1 − z k − 2 ) , k ≥ 2 \displaystyle k \geq 2 k ≥ 2 .
따라서
P k + 1 P k → = ( r cos θ ( x k − x k − 1 ) − r sin θ ( y k − y k − 1 ) , r sin θ ( x k − x k − 1 ) + r cos θ ( y k − y k − 1 ) , r ( z k − z k − 1 ) ) \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} ) ) P k + 1 P k = ( r cos θ ( x k − x k − 1 ) − r sin θ ( y k − y k − 1 ) , r sin θ ( x k − x k − 1 ) + r cos θ ( y k − y k − 1 ) , r ( z k − z k − 1 )) 이고 계산하여서 정리하면,Correction. 왼쪽의 벡터 P k + 1 P k → \displaystyle \overrightarrow{P_{k+1}P_k} P k + 1 P k 는 P k P k + 1 → \displaystyle \overrightarrow{P_kP_{k+1}} P k P k + 1 의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
∣ P k + 1 P k → ∣ = r ∣ P k P k − 1 → ∣ \displaystyle \left| \overrightarrow{P{}_{k + 1}\mathrm{P}_{k}} \right| = r \left| \overrightarrow{P{}_{k}\mathrm{P}_{k - 1}} \right| P k + 1 P k = r P k P k − 1 (1-1)
이므로, l k \displaystyle l_{k} l k 는 초항이 a \displaystyle a a 이고 등비가 r \displaystyle r r 인 등비급수이다. 따라서 일반항은
l k = a r k − 1 \displaystyle l_{k} = a r^{k - 1} l k = a r k − 1 이다.
논제I-(2)
변환의 관계식으로부터,
( x k + 1 , y k + 1 , z k + 1 ) = ( r cos θ x k − r sin θ y k , r sin θ x k − r cos θ y k , r z k ) \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} ) ( x k + 1 , y k + 1 , z k + 1 ) = ( r cos θ x k − r sin θ y k , r sin θ x k − r cos θ y k , r z k ) Correction. 두 번째 좌표의 마지막 항 − r cos θ y k \displaystyle -r\cos\theta y_k − r cos θ y k 는 + r cos θ y k \displaystyle +r\cos\theta y_k + r cos θ y k 의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
이므로
∣ O P k + 1 → ∣ = r ∣ O P k → ∣ \displaystyle | \overrightarrow{OP_{k + 1}} | = r | \overrightarrow{OP_{k}} | ∣ O P k + 1 ∣ = r ∣ O P k ∣ (2-1)
이다.
삼각형 T k \displaystyle T_{k} T k 의 세변을 a , b , c \displaystyle a , b , c a , b , c 라고 할 때,
∣ O P k − 1 ‾ ∣ = a , ∣ P k − 1 P k ‾ ∣ = b , ∣ O P k ‾ ∣ = c \displaystyle | \overline{OP_{k - 1}} | = a , | \overline{P{}_{k - 1}\mathrm{P}_{k}} | = b , | \overline{OP_{k}} | = c ∣ O P k − 1 ∣ = a , ∣ P k − 1 P k ∣ = b , ∣ O P k ∣ = c
위의 식 (2-1) 과 논제I-(1)에서의 식 (1-1) 에 의해 삼각형 T k + 1 \displaystyle T_{k + 1} T k + 1 의 세변은 다음의 식을 만족한다.
∣ O P k ‾ ∣ = r a , ∣ P k P k + 1 ‾ ∣ = r b , ∣ O P k + 1 ‾ ∣ = r c \displaystyle | \overline{OP_{k}} | = r a , | \overline{P{}_{k}\mathrm{P}_{k + 1}} | = r b , | \overline{OP_{k + 1}} | = r c ∣ O P k ∣ = r a , ∣ P k P k + 1 ∣ = r b , ∣ O P k + 1 ∣ = r c
세변의 닮음비가 같으므로 삼각형 T k + 1 , T k \displaystyle T_{k + 1} , T_{k} T k + 1 , T k 는 닮음이다.
이것은 모든 k ≥ 1 \displaystyle k \ge 1 k ≥ 1 에 대하여 성립하므로 T k ( k ≥ 2 ) \displaystyle T_{k} ( k \ge 2 ) T k ( k ≥ 2 ) 는 T 1 \displaystyle T_{1} T 1 과 닮음이고, 따라서 모든 삼각형 T k ( k ≥ 1 ) \displaystyle T_{k} ( k \ge 1 ) T k ( k ≥ 1 ) 들은 닮음이다.
논제I-(3)
논제I-(2)의 결과로서 { ∣ T k ∣ } \displaystyle \{|T_k|\} { ∣ T k ∣ } 는 공비가 r 2 \displaystyle r^{2} r 2 인 등비급수이고, { ∣ O P k → ∣ } \displaystyle \{|\overrightarrow{OP_k}|\} { ∣ O P k ∣ } 는 공비가 r \displaystyle r r 인 등비급수이다. 각 수열의 초항은 다음과 같으며,
∣ T 1 ∣ = 1 2 ∣ O P 1 → ∣ ∣ O P 0 → ∣ sin α \displaystyle | T_{1} | = \frac{1}{2} | \overrightarrow{OP_{1}} | | \overrightarrow{OP_{0}} | \sin \alpha ∣ T 1 ∣ = 2 1 ∣ O P 1 ∣∣ O P 0 ∣ sin α ( 이 때 α \displaystyle \alpha α 는 O P 1 → \displaystyle \overrightarrow{OP_{1}} O P 1 과 O P 0 → \displaystyle \overrightarrow{OP_{0}} O P 0 가 이루는 각), ∣ O P 1 → ∣ \displaystyle | \overrightarrow{OP_{1}} | ∣ O P 1 ∣ ,
P 0 = ( 1 , 0 , 1 ) \displaystyle P_{0} = ( 1 , 0 , 1 ) P 0 = ( 1 , 0 , 1 ) 이고 P 1 = ( 0 , r , r ) \displaystyle P_{1} = ( 0 , r , r ) P 1 = ( 0 , r , r ) 이므로 cos α \displaystyle \cos \alpha cos α 는
O P → 0 ⋅ O P → 1 = cos α ∣ O P → 0 ∣ ∣ O P → 1 ∣ \displaystyle \overrightarrow{OP}_{0} \cdot \overrightarrow{OP}_{1} = \cos \alpha | \overrightarrow{OP}_{0} | | \overrightarrow{OP}_{1} | O P 0 ⋅ O P 1 = cos α ∣ O P 0 ∣∣ O P 1 ∣ 을 만족하므로 cos α = 1 2 \displaystyle \cos \alpha = \frac{1}{2} cos α = 2 1 이다.
따라서 ∣ T 1 ∣ = 3 2 r , ∣ O P 1 ∣ = 2 r \displaystyle | T_{1} | = \frac{\sqrt{3}}{2} r , | OP_{1} | = \sqrt{2} r ∣ T 1 ∣ = 2 3 r , ∣ O P 1 ∣ = 2 r 이고,
lim n → ∞ a n = 3 2 r 1 − r 2 , lim n → ∞ b n = 2 r 1 − r \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} n → ∞ lim a n = 2 3 1 − r 2 r , n → ∞ lim b n = 2 1 − r r 이다.
함수 f ( r ) = lim n → ∞ a n ( lim n → ∞ b n ) 2 = 3 4 1 − r r ( 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)} f ( r ) = ( lim n → ∞ b n ) 2 lim n → ∞ a n = 4 3 r ( 1 + r ) 1 − r 에 관하여 구간 [ 1 2 , 4 5 ] \displaystyle [ \frac{1}{2} , \frac{4}{5} ] [ 2 1 , 5 4 ] 에서 최댓값을 찾기 위해서 미분을 이용하면 f ′ ( r ) = 3 4 ( r − ( 1 + 2 ) ) ( r − ( 1 − 2 ) ) ( 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}} f ′ ( r ) = 4 3 ( r ( r + 1 ) ) 2 ( r − ( 1 + 2 )) ( r − ( 1 − 2 )) 이고 주어진 구간에서 f ( x ) \displaystyle f ( x ) f ( x ) 의 미분계수는 음수의 값을 가지므로 감소함수이다. 따라서 r = 1 2 \displaystyle r = \frac{1}{2} r = 2 1 일 때 최댓값 f ( 1 2 ) = 3 6 \displaystyle f ( \frac{1}{2} ) = \frac{{\sqrt{3}}}{6} f ( 2 1 ) = 6 3 이다.
논제I-(4)
선분 P 0 P 1 \displaystyle P{}_{0}\mathrm{P}_{1} P 0 P 1 상의 점들은 다음 식을 만족한다.
x − 0 1 − 0 = y − r 0 − r = z − r 1 − r , ( r ≤ z ≤ 1 ) \displaystyle \frac{x-0}{1-0}=\frac{y-r}{0-r}=\frac{z-r}{1-r},\quad(r\le z\le1) 1 − 0 x − 0 = 0 − r y − r = 1 − r z − r , ( r ≤ z ≤ 1 ) .
r = 1 2 \displaystyle r = \frac{1}{2} r = 2 1 일 때, 점 O \displaystyle O O 에서 선분 P 0 P 1 \displaystyle P{}_{0}\mathrm{P}_{1} P 0 P 1 으로의 수선의 발을 내렸을 때 끝점을 Q \displaystyle Q Q 라고 하자. 회전체의 부피는 △ Q P 0 O \displaystyle \triangle QP_{0} O △ Q P 0 O 를 P 0 Q ‾ \displaystyle \overline{P_{0} Q} P 0 Q 를 회전축으로 회전하여 얻는 원뿔 V 1 \displaystyle V_{1} V 1 의 부피와 △ Q P 1 O \displaystyle \triangle Q P_{1} O △ Q P 1 O 를 P 1 Q ‾ \displaystyle \overline{P_{1} Q} P 1 Q 를 회전축으로 회전하여 얻는 원뿔 V 2 \displaystyle V_{2} V 2 의 부피의 합이 된다.
수선의 발의 끝점 Q \displaystyle Q Q 를 ( x , y , z ) = ( 2 z − 1 , − z + 1 , z ) \displaystyle ( x , y , z ) = ( 2 z - 1 , - z + 1 , z ) ( x , y , z ) = ( 2 z − 1 , − z + 1 , z ) 라 두고, 직선 P 1 P 0 → \displaystyle \overrightarrow{P{}_{1}\mathrm{P}_{0}} P 1 P 0 와 수직임을 이용하면 z = 1 2 \displaystyle z = \frac{1}{2} z = 2 1 이고 따라서 Q \displaystyle Q Q 는 ( 0 , 1 2 , 1 2 ) \displaystyle ( 0 , \frac{{1}}{2} , \frac{{1}}{2} ) ( 0 , 2 1 , 2 1 ) 이다. ∣ O Q → ∣ = 2 2 , ∣ Q P 0 → ∣ = 6 2 , ∣ Q P 1 → ∣ = 0 \displaystyle | \overrightarrow{OQ} | = \frac{\sqrt2}{2}, | \overrightarrow{QP_{0}} | = \frac{{\sqrt{6}}}{2} , | \overrightarrow{QP_{1}} | = 0 ∣ O Q ∣ = 2 2 , ∣ Q P 0 ∣ = 2 6 , ∣ Q P 1 ∣ = 0 이므로,
V 1 = 1 3 π ( 2 2 ) 2 6 2 = 6 12 π , V 2 = 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 V 1 = 3 1 π ( 2 2 ) 2 2 6 = 12 6 π , V 2 = 0 이다.
따라서 회전체의 부피 V ( = V 1 + V 2 ) \displaystyle V ( = V_{1} + V_{2} ) V ( = V 1 + V 2 ) 는 6 12 π \displaystyle \frac{{\sqrt{6}}}{12} \pi 12 6 π 이다.