(1)
선분 B 0 C 0 \displaystyle \mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0} B 0 C 0 와 B 1 C 1 \displaystyle \mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1} B 1 C 1 가 서로 평행이고, 선분 O A \displaystyle \mathrm{OA} OA 와 수직이므로 삼각형 O B 0 C 0 \displaystyle \mathrm{OB}{}_{0}\mathrm{C}_{0} OB 0 C 0 와 O B 1 C 1 \displaystyle \mathrm{OB}{}_{1}\mathrm{C}_{1} OB 1 C 1 도 서로 닮은 이등변삼각형이다. 따라서 B 0 C 0 ‾ : B 1 C 1 ‾ = O A ‾ 1 : O A ‾ 2 \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} : \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = {\overline{\mathrm{OA}}_{1} : \overline{\mathrm{OA}}_{2}} B 0 C 0 : B 1 C 1 = OA 1 : OA 2 . ∠ B O C = 60 ∘ \displaystyle \angle \mathrm{BOC} = 60 ^{\circ} ∠ BOC = 6 0 ∘ 이므로 삼각형 O B 0 C 0 \displaystyle \mathrm{OB}{}_{0}\mathrm{C}_{0} OB 0 C 0 와 O B 1 C 1 \displaystyle \mathrm{OB}{}_{1}\mathrm{C}_{1} OB 1 C 1 모두 정삼각형이다.따라서 삼각형 A 1 B 1 C 1 \displaystyle \mathrm{A}_{1} \mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1} A 1 B 1 C 1 과 O B 1 C 1 \displaystyle \mathrm{OB}{}_{1}\mathrm{C}_{1} OB 1 C 1 은 합동인 정삼각형이다. 따라서 O A ‾ 1 = 2 O A ‾ 2 \displaystyle \overline{\mathrm{OA}}_{1} = 2 \overline{\mathrm{OA}}_{2} OA 1 = 2 OA 2 . 그러므로 B 1 C 1 ‾ = 1 2 B 0 C 0 ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = \frac{1}{2} \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} B 1 C 1 = 2 1 B 0 C 0 . 같은 방법을 이용하면 B k + 1 C k + 1 ‾ = 1 2 B k C k ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k + 1}\mathrm{C}_{k + 1}} = \frac{1}{2} \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}} B k + 1 C k + 1 = 2 1 B k C k 이다. B 0 C 0 ‾ = a \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} = a B 0 C 0 = a 이므로 B k C k ‾ = a ( 1 2 ) k = a 2 k \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}} = a \left( \frac{1}{2} \right)^{k} = \frac{a}{2^{k}} B k C k = a ( 2 1 ) k = 2 k a .한 변의 길이가 x \displaystyle x x 인 정삼각형의 넓이는 3 x 2 4 \displaystyle \frac{{\sqrt{3} x^{2}}}{4} 4 3 x 2 이고, 둘레의 길이는 3 x \displaystyle 3 x 3 x 이므로, S 4 = 3 4 ( a 2 4 ) 2 = 3 a 2 1024 \displaystyle S_4=\frac{\sqrt3}4\left(\frac a{2^4}\right)^2=\frac{\sqrt3a^2}{1024} S 4 = 4 3 ( 2 4 a ) 2 = 1024 3 a 2 이고, L 4 = 3 × a 2 4 = 3 a 16 \displaystyle L_4=3\times\frac a{2^4}=\frac{3a}{16} L 4 = 3 × 2 4 a = 16 3 a .
(2)
삼각형 A 0 B 0 C 0 \displaystyle \mathrm{A}_{0} \mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0} A 0 B 0 C 0 와 A 1 B 1 C 1 \displaystyle \mathrm{A}_{1} \mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1} A 1 B 1 C 1 가 서로 닮은 삼각형이므로 B 0 C 0 ‾ : B 1 C 1 ‾ = A 0 A 1 ‾ : A 1 A 2 ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} : \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = \overline{\mathrm{A}_{0} \mathrm{A}_{1}} : \overline{\mathrm{A}_{1} \mathrm{A}_{2}} B 0 C 0 : B 1 C 1 = A 0 A 1 : A 1 A 2 . ∠ B O A = 45 ∘ \displaystyle \angle \mathrm{BOA} = 45 ^{\circ} ∠ BOA = 4 5 ∘ 이므로 B 0 A 1 ‾ = O A ‾ 1 \displaystyle \overline{\mathrm{B}_{0} \mathrm{A}_{1}} = \overline{\mathrm{OA}}_{1} {} B 0 A 1 = OA 1 , B 1 A 2 ‾ = O A ‾ 2 \displaystyle \overline{\mathrm{B}_{1} \mathrm{A}_{2}} = \overline{\mathrm{OA}}_{2} B 1 A 2 = OA 2 .따라서 B 1 A 2 ‾ = x \displaystyle \overline{\mathrm{B}_{1} \mathrm{A}_{2}} = x B 1 A 2 = x 라고 하면 A 1 A 2 ‾ = 3 x 2 \displaystyle \overline{\mathrm{A}_{1} \mathrm{A}_{2}} = 3 \frac{x}{2} A 1 A 2 = 3 2 x 이므로 O A ‾ 2 = x \displaystyle \overline{\mathrm{OA}}_{2} = x OA 2 = x , O A ‾ 1 = O A ‾ 2 + A 1 A 2 ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{OA}}_{1} = \overline{\mathrm{OA}}_{2} + \overline{\mathrm{A}_{1} \mathrm{A}_{2}} OA 1 = OA 2 + A 1 A 2 = x + 3 x 2 = 5 x 2 \displaystyle = x + 3 \frac{x}{2} = 5 \frac{x}{2} = x + 3 2 x = 5 2 x .(1)에서와 마찬가지로 삼각형 O B 0 C 0 \displaystyle \mathrm{OB}{}_{0}\mathrm{C}_{0} OB 0 C 0 와 O B 1 C 1 \displaystyle \mathrm{OB}{}_{1}\mathrm{C}_{1} OB 1 C 1 가 서로 닮은 이등변삼각형이다. B 0 C 0 ‾ : B 1 C 1 ‾ = O A 1 ‾ : O A 2 ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} : \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = \overline{\mathrm{OA}_{1}} : \overline{\mathrm{OA}_{2}} B 0 C 0 : B 1 C 1 = OA 1 : OA 2 = 5 x 2 : x = 5 : 2 \displaystyle = 5 \frac{x}{2} : x = 5 : 2 = 5 2 x : x = 5 : 2 이므로 B 1 C 1 ‾ = 2 5 B 0 C 0 ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = \frac{2}{5} \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} B 1 C 1 = 5 2 B 0 C 0 .같은 방법을 이용하면 B k + 1 C k + 1 ‾ = 2 5 B k C k ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k + 1}\mathrm{C}_{k + 1}} = \frac{2}{5} \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}} B k + 1 C k + 1 = 5 2 B k C k 이다. B 0 C 0 ‾ = 4 b \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} = 4 b B 0 C 0 = 4 b 이므로 B k C k ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}} B k C k = 4 b ( 2 5 ) k \displaystyle = 4 b \left( \frac{2}{5} \right)^{k} = 4 b ( 5 2 ) k .따라서 S k = 1 2 × 4 b ( 2 5 ) k × 3 b ( 2 5 ) k = 6 b 2 ( 4 25 ) k \displaystyle S_{k} = \frac{1}{2} \times 4 b \left( \frac{2}{5} \right)^{k} \times 3 b \left( \frac{2}{5} \right)^{k} = 6 b^{2} \left( \frac{4}{25} \right)^{k} S k = 2 1 × 4 b ( 5 2 ) k × 3 b ( 5 2 ) k = 6 b 2 ( 25 4 ) k 이므로 ∑ k = 0 ∞ S k = 6 b 2 1 − 4 25 = 50 b 2 7 \displaystyle \sum_{k = 0}^{\infty} S_{k} = 6 \frac{b^{2}}{1 - \frac{4}{25}} = 50 \frac{b^{2}}{7} k = 0 ∑ ∞ S k = 6 1 − 25 4 b 2 = 50 7 b 2 .
(3)
B 0 A 1 ‾ = 2 \displaystyle \overline{B_0A_1}=2 B 0 A 1 = 2 이고 ∠ B O A = θ \displaystyle \angle BOA=\theta ∠ B O A = θ 이므로 O A 1 ‾ = 2 tan θ \displaystyle \overline{OA_1}=\frac2{\tan\theta} O A 1 = tan θ 2 .B 1 A 2 ‾ = x \displaystyle \overline{B_1A_2}=x B 1 A 2 = x 라고 하면 O A 2 ‾ = x tan θ \displaystyle \overline{OA_2}=\frac x{\tan\theta} O A 2 = tan θ x 이고 A 1 A 2 ‾ = 3 x 2 \displaystyle \overline{A_1A_2}=\frac{3x}2 A 1 A 2 = 2 3 x .따라서 2 tan θ = x tan θ + 3 x 2 \displaystyle \frac2{\tan\theta}=\frac x{\tan\theta}+\frac{3x}2 tan θ 2 = tan θ x + 2 3 x 이므로 x = 4 2 + 3 tan θ \displaystyle x=\frac4{2+3\tan\theta} x = 2 + 3 tan θ 4 . (1), (2)에서와 마찬가지로 삼각형 O B 0 C 0 \displaystyle \mathrm{OB}{}_{0}\mathrm{C}_{0} OB 0 C 0 와 O B 1 C 1 \displaystyle \mathrm{OB}{}_{1}\mathrm{C}_{1} OB 1 C 1 가 서로 닮은 이등변삼각형이다. B 0 C 0 ‾ : B 1 C 1 ‾ = B 0 A 1 ‾ : B 1 A 2 ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} : \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = \overline{\mathrm{B}_{0} \mathrm{A}_{1}} : \overline{\mathrm{B}_{1} \mathrm{A}_{2}} B 0 C 0 : B 1 C 1 = B 0 A 1 : B 1 A 2 = 2 : x = 2 : 4 2 + 3 tan θ \displaystyle = 2 : x = 2 : \frac{4}{2 + 3 \tan \theta} = 2 : x = 2 : 2 + 3 tan θ 4 이므로 B 1 C 1 ‾ = 2 2 + 3 tan θ B 0 C 0 ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = \frac{2}{2 + 3 \tan \theta} \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} B 1 C 1 = 2 + 3 tan θ 2 B 0 C 0 .같은 방법을 이용하면 B k + 1 C k + 1 ‾ = 2 2 + 3 tan θ B k C k ‾ \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k + 1}\mathrm{C}_{k + 1}} = \frac{2}{2 + 3 \tan \theta} \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}} B k + 1 C k + 1 = 2 + 3 tan θ 2 B k C k 이고 B 0 C 0 ‾ = 4 \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} = 4 B 0 C 0 = 4 이므로 B k C k ‾ = 4 ( 2 2 + 3 tan θ ) k \displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}} = 4 \left( \frac{2}{2 + 3 \tan \theta} \right)^{k} B k C k = 4 ( 2 + 3 tan θ 2 ) k .따라서 L k = ( 1 + 13 4 + 13 4 ) B k C k ‾ = ( 4 + 2 13 ) ( 2 2 + 3 tan θ ) k \displaystyle L_k=\left(1+\frac{\sqrt{13}}4+\frac{\sqrt{13}}4\right)\overline{B_kC_k}=(4+2\sqrt{13})\left(\frac2{2+3\tan\theta}\right)^k L k = ( 1 + 4 13 + 4 13 ) B k C k = ( 4 + 2 13 ) ( 2 + 3 tan θ 2 ) k 이므로 ∑ k = 0 ∞ L k = 4 + 2 13 1 − 2 2 + 3 tan θ = ( 4 + 2 13 ) ( 2 + 3 tan θ ) 3 tan θ \displaystyle \sum_{k = 0}^{\infty} L_{k} = \frac{{4 + 2 \sqrt{13}}}{1 - \frac{2}{2 + 3 \tan \theta}} = \frac{{( 4 + 2 \sqrt{13} ) ( 2 + 3 \tan \theta )}}{3 \tan \theta} k = 0 ∑ ∞ L k = 1 − 2 + 3 t a n θ 2 4 + 2 13 = 3 tan θ ( 4 + 2 13 ) ( 2 + 3 tan θ ) .
(4)
f ( θ ) = 6 sin θ 2 + 13 ( 4 + 2 13 ) ( 2 + 3 tan θ ) 3 tan θ = ( 8 + 12 tan θ ) cos θ \displaystyle f ( \theta ) = \frac{{6 \sin \theta}}{2 + \sqrt{13}} \frac{{( 4 + 2 \sqrt{13} ) ( 2 + 3 \tan \theta )}}{3 \tan \theta} = ( 8 + 12 \tan \theta ) \cos \theta f ( θ ) = 2 + 13 6 sin θ 3 tan θ ( 4 + 2 13 ) ( 2 + 3 tan θ ) = ( 8 + 12 tan θ ) cos θ = 8 cos θ + 12 sin θ \displaystyle = 8 \cos \theta + 12 \sin \theta = 8 cos θ + 12 sin θ f ′ ( θ ) = − 8 sin θ + 12 cos θ = 4 cos θ ( 3 − 2 tan θ ) \displaystyle f^{\prime} ( \theta ) = - 8 \sin \theta + 12 \cos \theta = 4 \cos \theta ( 3 - 2 \tan \theta ) f ′ ( θ ) = − 8 sin θ + 12 cos θ = 4 cos θ ( 3 − 2 tan θ ) .30 ∘ ≤ θ ≤ 60 ∘ \displaystyle 30 ^{\circ} \le \theta \le 60 ^{\circ} 3 0 ∘ ≤ θ ≤ 6 0 ∘ 일 때, 1 3 ≤ tan θ ≤ 3 \displaystyle \frac{1}{\sqrt{3}} \le \tan \theta \le \sqrt{3} 3 1 ≤ tan θ ≤ 3 이므로, 이 구간에 tan θ = 3 2 \displaystyle \tan \theta = \frac{3}{2} tan θ = 2 3 인 θ \displaystyle \theta θ 가 존재한다.1 3 ≤ tan θ < 3 2 \displaystyle \frac{1}{\sqrt{3}} \le \tan \theta < \frac{3}{2} 3 1 ≤ tan θ < 2 3 일 때 f ′ ( θ ) > 0 \displaystyle f^{\prime} ( \theta ) > 0 f ′ ( θ ) > 0 이고, 3 2 < tan θ ≤ 3 \displaystyle \frac{3}{2} < \tan \theta \le \sqrt{3} 2 3 < tan θ ≤ 3 일 때 f ′ ( θ ) < 0 \displaystyle f^{\prime} ( \theta ) < 0 f ′ ( θ ) < 0 이므로,tan θ = 3 2 \displaystyle \tan \theta = \frac{3}{2} tan θ = 2 3 인 θ \displaystyle \theta θ 에서 f ( θ ) \displaystyle f ( \theta ) f ( θ ) 는 최대가 된다.tan θ = 3 2 \displaystyle \tan \theta = \frac{3}{2} tan θ = 2 3 이고 30 ∘ ≤ θ ≤ 60 ∘ \displaystyle 30 ^{\circ} \le \theta \le 60 ^{\circ} 3 0 ∘ ≤ θ ≤ 6 0 ∘ 이므로, sin θ = 3 13 \displaystyle \sin \theta = \frac{3}{\sqrt{13}} sin θ = 13 3 , cos θ = 2 13 \displaystyle \cos \theta = \frac{2}{\sqrt{13}} cos θ = 13 2 .따라서 f ( θ ) \displaystyle f ( \theta ) f ( θ ) 는 tan θ = 3 2 \displaystyle \tan \theta = \frac{3}{2} tan θ = 2 3 일 때 최댓값 52 13 = 4 13 \displaystyle \frac{52}{\sqrt{13}} = 4 \sqrt{13} 13 52 = 4 13 을 가진다. f ( θ ) \displaystyle f ( \theta ) f ( θ ) 는 θ = 30 ∘ \displaystyle \theta = 30 ^{\circ} θ = 3 0 ∘ 일 때 4 ( 3 + 3 2 ) \displaystyle 4 \left( \sqrt{3} + \frac{3}{2} \right) 4 ( 3 + 2 3 ) 이고, θ = 60 ∘ \displaystyle \theta = 60 ^{\circ} θ = 6 0 ∘ 일 때 4 ( 1 + 3 3 2 ) \displaystyle 4 \left( 1 + \frac{{3 \sqrt{3}}}{2} \right) 4 ( 1 + 2 3 3 ) 인데,3 + 3 2 < 3 3 2 + 1 \displaystyle \sqrt{3} + \frac{3}{2} < \frac{{3 \sqrt{3}}}{2} + 1 3 + 2 3 < 2 3 3 + 1 이므로,f ( θ ) \displaystyle f ( \theta ) f ( θ ) 는 θ = 30 ∘ \displaystyle \theta = 30 ^{\circ} θ = 3 0 ∘ 일 때 최솟값 4 ( 3 + 3 2 ) = 4 3 + 6 \displaystyle 4 \left( \sqrt{3} + \frac{3}{2} \right) = 4 \sqrt{3} + 6 4 ( 3 + 2 3 ) = 4 3 + 6 을 가진다.