수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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(1)

선분 B0C0\displaystyle \mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}B1C1\displaystyle \mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}가 서로 평행이고, 선분 OA\displaystyle \mathrm{OA}와 수직이므로 삼각형 OB0C0\displaystyle \mathrm{OB}{}_{0}\mathrm{C}_{0}OB1C1\displaystyle \mathrm{OB}{}_{1}\mathrm{C}_{1}도 서로 닮은 이등변삼각형이다.따라서 B0C0:B1C1=OA1:OA2\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} : \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = {\overline{\mathrm{OA}}_{1} : \overline{\mathrm{OA}}_{2}}.BOC=60\displaystyle \angle \mathrm{BOC} = 60 ^{\circ}이므로 삼각형 OB0C0\displaystyle \mathrm{OB}{}_{0}\mathrm{C}_{0}OB1C1\displaystyle \mathrm{OB}{}_{1}\mathrm{C}_{1} 모두 정삼각형이다.따라서 삼각형 A1B1C1\displaystyle \mathrm{A}_{1} \mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}OB1C1\displaystyle \mathrm{OB}{}_{1}\mathrm{C}_{1}은 합동인 정삼각형이다.따라서 OA1=2OA2\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}_{1} = 2 \overline{\mathrm{OA}}_{2}.그러므로 B1C1=12B0C0\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = \frac{1}{2} \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}}.같은 방법을 이용하면 Bk+1Ck+1=12BkCk\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k + 1}\mathrm{C}_{k + 1}} = \frac{1}{2} \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}}이다.B0C0=a\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} = a이므로 BkCk=a(12)k=a2k\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}} = a \left( \frac{1}{2} \right)^{k} = \frac{a}{2^{k}}.한 변의 길이가 x\displaystyle x인 정삼각형의 넓이는 3x24\displaystyle \frac{{\sqrt{3} x^{2}}}{4}이고, 둘레의 길이는 3x\displaystyle 3 x이므로,S4=34(a24)2=3a21024\displaystyle S_4=\frac{\sqrt3}4\left(\frac a{2^4}\right)^2=\frac{\sqrt3a^2}{1024}이고, L4=3×a24=3a16\displaystyle L_4=3\times\frac a{2^4}=\frac{3a}{16}.

(2)

삼각형 A0B0C0\displaystyle \mathrm{A}_{0} \mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}A1B1C1\displaystyle \mathrm{A}_{1} \mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}가 서로 닮은 삼각형이므로 B0C0:B1C1=A0A1:A1A2\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}}.BOA=45\displaystyle \angle \mathrm{BOA} = 45 ^{\circ}이므로 B0A1=OA1\displaystyle \overline{\mathrm{B}_{0} \mathrm{A}_{1}} = \overline{\mathrm{OA}}_{1} {}, B1A2=OA2\displaystyle \overline{\mathrm{B}_{1} \mathrm{A}_{2}} = \overline{\mathrm{OA}}_{2}.따라서 B1A2=x\displaystyle \overline{\mathrm{B}_{1} \mathrm{A}_{2}} = x라고 하면 A1A2=3x2\displaystyle \overline{\mathrm{A}_{1} \mathrm{A}_{2}} = 3 \frac{x}{2}이므로OA2=x\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}_{2} = x, OA1=OA2+A1A2\displaystyle \overline{\mathrm{OA}}_{1} = \overline{\mathrm{OA}}_{2} + \overline{\mathrm{A}_{1} \mathrm{A}_{2}}=x+3x2=5x2\displaystyle = x + 3 \frac{x}{2} = 5 \frac{x}{2}.(1)에서와 마찬가지로 삼각형 OB0C0\displaystyle \mathrm{OB}{}_{0}\mathrm{C}_{0}OB1C1\displaystyle \mathrm{OB}{}_{1}\mathrm{C}_{1}가 서로 닮은 이등변삼각형이다.B0C0:B1C1=OA1:OA2\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} : \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = \overline{\mathrm{OA}_{1}} : \overline{\mathrm{OA}_{2}}=5x2:x=5:2\displaystyle = 5 \frac{x}{2} : x = 5 : 2이므로 B1C1=25B0C0\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = \frac{2}{5} \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}}.같은 방법을 이용하면 Bk+1Ck+1=25BkCk\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k + 1}\mathrm{C}_{k + 1}} = \frac{2}{5} \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}}이다.B0C0=4b\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} = 4 b이므로 BkCk\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}}=4b(25)k\displaystyle = 4 b \left( \frac{2}{5} \right)^{k}.따라서 Sk=12×4b(25)k×3b(25)k=6b2(425)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}이므로 k=0Sk=6b21425=50b27\displaystyle \sum_{k = 0}^{\infty} S_{k} = 6 \frac{b^{2}}{1 - \frac{4}{25}} = 50 \frac{b^{2}}{7}.

(3)

B0A1=2\displaystyle \overline{B_0A_1}=2이고 BOA=θ\displaystyle \angle BOA=\theta이므로 OA1=2tanθ\displaystyle \overline{OA_1}=\frac2{\tan\theta}.B1A2=x\displaystyle \overline{B_1A_2}=x라고 하면 OA2=xtanθ\displaystyle \overline{OA_2}=\frac x{\tan\theta}이고 A1A2=3x2\displaystyle \overline{A_1A_2}=\frac{3x}2.따라서 2tanθ=xtanθ+3x2\displaystyle \frac2{\tan\theta}=\frac x{\tan\theta}+\frac{3x}2이므로 x=42+3tanθ\displaystyle x=\frac4{2+3\tan\theta}.(1), (2)에서와 마찬가지로 삼각형 OB0C0\displaystyle \mathrm{OB}{}_{0}\mathrm{C}_{0}OB1C1\displaystyle \mathrm{OB}{}_{1}\mathrm{C}_{1}가 서로 닮은 이등변삼각형이다.B0C0:B1C1=B0A1:B1A2\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}}=2:x=2:42+3tanθ\displaystyle = 2 : x = 2 : \frac{4}{2 + 3 \tan \theta}이므로 B1C1=22+3tanθB0C0\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{1}\mathrm{C}_{1}} = \frac{2}{2 + 3 \tan \theta} \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}}.같은 방법을 이용하면 Bk+1Ck+1=22+3tanθBkCk\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k + 1}\mathrm{C}_{k + 1}} = \frac{2}{2 + 3 \tan \theta} \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}}이고 B0C0=4\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{0}\mathrm{C}_{0}} = 4이므로BkCk=4(22+3tanθ)k\displaystyle \overline{\mathrm{B}{}_{k}\mathrm{C}_{k}} = 4 \left( \frac{2}{2 + 3 \tan \theta} \right)^{k}.따라서 Lk=(1+134+134)BkCk=(4+213)(22+3tanθ)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)^k이므로k=0Lk=4+213122+3tanθ=(4+213)(2+3tanθ)3tanθ\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}.

(4)

f(θ)=6sinθ2+13(4+213)(2+3tanθ)3tanθ=(8+12tanθ)cosθ\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=8cosθ+12sinθ\displaystyle = 8 \cos \theta + 12 \sin \thetaf(θ)=8sinθ+12cosθ=4cosθ(32tanθ)\displaystyle f^{\prime} ( \theta ) = - 8 \sin \theta + 12 \cos \theta = 4 \cos \theta ( 3 - 2 \tan \theta ).30θ60\displaystyle 30 ^{\circ} \le \theta \le 60 ^{\circ}일 때, 13tanθ3\displaystyle \frac{1}{\sqrt{3}} \le \tan \theta \le \sqrt{3}이므로, 이 구간에 tanθ=32\displaystyle \tan \theta = \frac{3}{2}θ\displaystyle \theta가 존재한다.13tanθ<32\displaystyle \frac{1}{\sqrt{3}} \le \tan \theta < \frac{3}{2}일 때 f(θ)>0\displaystyle f^{\prime} ( \theta ) > 0이고, 32<tanθ3\displaystyle \frac{3}{2} < \tan \theta \le \sqrt{3}일 때 f(θ)<0\displaystyle f^{\prime} ( \theta ) < 0이므로,tanθ=32\displaystyle \tan \theta = \frac{3}{2}θ\displaystyle \theta에서 f(θ)\displaystyle f ( \theta )는 최대가 된다.tanθ=32\displaystyle \tan \theta = \frac{3}{2}이고 30θ60\displaystyle 30 ^{\circ} \le \theta \le 60 ^{\circ}이므로, sinθ=313\displaystyle \sin \theta = \frac{3}{\sqrt{13}}, cosθ=213\displaystyle \cos \theta = \frac{2}{\sqrt{13}}.따라서 f(θ)\displaystyle f ( \theta )tanθ=32\displaystyle \tan \theta = \frac{3}{2}일 때 최댓값 5213=413\displaystyle \frac{52}{\sqrt{13}} = 4 \sqrt{13}을 가진다.f(θ)\displaystyle f ( \theta )θ=30\displaystyle \theta = 30 ^{\circ}일 때 4(3+32)\displaystyle 4 \left( \sqrt{3} + \frac{3}{2} \right)이고, θ=60\displaystyle \theta = 60 ^{\circ}일 때 4(1+332)\displaystyle 4 \left( 1 + \frac{{3 \sqrt{3}}}{2} \right)인데,3+32<332+1\displaystyle \sqrt{3} + \frac{3}{2} < \frac{{3 \sqrt{3}}}{2} + 1이므로,f(θ)\displaystyle f ( \theta )θ=30\displaystyle \theta = 30 ^{\circ}일 때 최솟값 4(3+32)=43+6\displaystyle 4 \left( \sqrt{3} + \frac{3}{2} \right) = 4 \sqrt{3} + 6을 가진다.

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