수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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[3-1]

n=1일 때의 직사각형
+3점 · 직사각형의 짧은 변의 길이를 구할 수 있다.

A0OA1=π3\displaystyle \angle\mathrm A_0\mathrm O\mathrm A_1=\frac\pi3이므로 삼각형 A0OA1\displaystyle \mathrm A_0\mathrm O\mathrm A_1은 한 변의 길이가 1인 정삼각형이다. 그러므로 A0A1=1\displaystyle \overline{\mathrm A_0\mathrm A_1}=1 ⋯⋯ ①

+5점 · 직사각형의 긴 변의 길이를 구할 수 있다.

선분 A0A1\displaystyle \mathrm A_0\mathrm A_1의 중점을 C1\displaystyle \mathrm C_1, 넓이가 T1\displaystyle T_1인 직사각형이 선분 B0B1\displaystyle \mathrm B_0\mathrm B_1과 만나는 점을 D1\displaystyle \mathrm D_1이라 하면A0OC1=B0A0D1\displaystyle \angle\mathrm A_0\mathrm O\mathrm C_1=\angle\mathrm B_0\mathrm A_0\mathrm D_1이므로B0A0D1=12×π3=π6\displaystyle \angle\mathrm B_0\mathrm A_0\mathrm D_1=\frac12\times\frac\pi3=\frac\pi6이다.A0D1cosπ6=A0B0\displaystyle \overline{\mathrm A_0\mathrm D_1}\cos\frac\pi6=\overline{\mathrm A_0\mathrm B_0}에서A0D1=1cosπ6=23=233\displaystyle \overline{\mathrm A_0\mathrm D_1}=\frac1{\cos\frac\pi6}=\frac2{\sqrt3}=\frac{2\sqrt3}3 ⋯⋯ ②

+2점 · S1\displaystyle S_1을 구할 수 있다.

①, ②에 의하여 S1=T1=1×233=233\displaystyle S_1=T_1=1\times\frac{2\sqrt3}3=\frac{2\sqrt3}3이다.

[3-2]

일반적인 k번째 직사각형
+5점 · 넓이가 Tk\displaystyle T_k인 직사각형의 짧은 변의 길이를 2sinπ6n\displaystyle 2\sin\frac\pi{6n}로 나타낼 수 있다.

선분 Ak1Ak\displaystyle \mathrm A_{k-1}\mathrm A_k의 중점을 Ck\displaystyle \mathrm C_k라 하자. Ak1OCk=δ\displaystyle \angle\mathrm A_{k-1}\mathrm O\mathrm C_k=\delta라 하면 Ak1OAk=π3n\displaystyle \angle\mathrm A_{k-1}\mathrm O\mathrm A_k=\frac\pi{3n}이므로 δ=π6n\displaystyle \delta=\frac\pi{6n}이다.OAk1=1\displaystyle \overline{\mathrm O\mathrm A_{k-1}}=1이므로 Ak1Ck=sinδ\displaystyle \overline{\mathrm A_{k-1}\mathrm C_k}=\sin\delta이다. 그러므로 Ak1Ak=2sinδ\displaystyle \overline{\mathrm A_{k-1}\mathrm A_k}=2\sin\delta ⋯⋯ ③A0OAk=tk\displaystyle \angle\mathrm A_0\mathrm O\mathrm A_k=t_k라 하면 tk=k3n\displaystyle t_k=\frac k{3n}이고, A0OCk=θk\displaystyle \angle\mathrm A_0\mathrm O\mathrm C_k=\theta_k라 하면, tk1=θkδ\displaystyle t_{k-1}=\theta_k-\delta이다.Correction. tk=k3n\displaystyle t_k=\frac{k}{3n}에서 π\displaystyle \pi가 빠졌다. tk=kπ3n\displaystyle t_k=\frac{k\pi}{3n}이 맞다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

+5점 · 넓이가 Tk\displaystyle T_k인 직사각형의 긴 변의 길이를 2cos(k1)π3ncos(2k1)π6n\displaystyle \frac{2-\cos\frac{(k-1)\pi}{3n}}{\cos\frac{(2k-1)\pi}{6n}}로 나타낼 수 있다.

한편, 넓이가 Tk\displaystyle T_k인 직사각형이 선분 Bk1Bk\displaystyle \mathrm B_{k-1}\mathrm B_k와 만나는 점을 Dk\displaystyle \mathrm D_k라 하면Ak1Dkcosθk=2costk1\displaystyle \overline{\mathrm A_{k-1}\mathrm D_k}\cos\theta_k=2-\cos t_{k-1}에서Ak1Dk=2costk1cosθk=2cos(θkδ)cosθk=2secθkcosθkcosδ+sinθksinδcosθk\displaystyle \overline{\mathrm A_{k-1}\mathrm D_k}=\frac{2-\cos t_{k-1}}{\cos\theta_k}=\frac{2-\cos(\theta_k-\delta)}{\cos\theta_k}=2\sec\theta_k-\frac{\cos\theta_k\cos\delta+\sin\theta_k\sin\delta}{\cos\theta_k} ⋯⋯ ④

+3점 · 삼각함수의 덧셈정리를 이용하여 Tk\displaystyle T_k2sinπ6n{2sec(2k1)π6ncosπ6nsinπ6ntan(2k1)π6n}\displaystyle 2\sin\frac\pi{6n}\{2\sec\frac{(2k-1)\pi}{6n}-\cos\frac\pi{6n}-\sin\frac\pi{6n}\tan\frac{(2k-1)\pi}{6n}\}로 나타낼 수 있다.

③, ④에 의하여Tk=2sinδ(2secθkcosθkcosδ+sinθksinδcosθk)=2sinδ(2secθkcosδsinδtanθk)\displaystyle \begin{aligned}T_k&=2\sin\delta\left(2\sec\theta_k-\frac{\cos\theta_k\cos\delta+\sin\theta_k\sin\delta}{\cos\theta_k}\right)\\&=2\sin\delta(2\sec\theta_k-\cos\delta-\sin\delta\tan\theta_k)\end{aligned}이므로Sn=k=1n{2sinδ(2secθkcosδsinδtanθk)}=4sinδk=1nsecθk2nsinδcosδ2sin2δk=1ntanθk\displaystyle \begin{aligned}S_n&=\sum_{k=1}^n\{2\sin\delta(2\sec\theta_k-\cos\delta-\sin\delta\tan\theta_k)\}\\&=4\sin\delta\sum_{k=1}^n\sec\theta_k-2n\sin\delta\cos\delta-2\sin^2\delta\sum_{k=1}^n\tan\theta_k\end{aligned}limnSn\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n의 값을 항별로 나누어 구하자.

+5점 · limn4sinπ6nk=1nsec(2k1)π6n=20π3secxdx\displaystyle \lim_{n\to\infty}4\sin\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\sec\frac{(2k-1)\pi}{6n}=2\int_0^{\frac\pi3}\sec x\,dx임을 보일 수 있다.

(i) limn4sinδk=1nsecθk\displaystyle \lim_{n\to\infty}4\sin\delta\sum_{k=1}^n\sec\theta_k의 값을 구하면함수 y=secx\displaystyle y=\sec x0<x<π3\displaystyle 0<x<\frac\pi3에서 증가하므로k=1nsec(2k2)π6nk=1nsec(2k1)π6nk=1nsec2kπ6n\displaystyle \sum_{k=1}^n\sec\frac{(2k-2)\pi}{6n}\le\sum_{k=1}^n\sec\frac{(2k-1)\pi}{6n}\le\sum_{k=1}^n\sec\frac{2k\pi}{6n}에서4sinπ6nk=1nsec(2k2)π6n4sinπ6nk=1nsec(2k1)π6n4sinπ6nk=1nsec2kπ6n\displaystyle 4\sin\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\sec\frac{(2k-2)\pi}{6n}\le4\sin\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\sec\frac{(2k-1)\pi}{6n}\le4\sin\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\sec\frac{2k\pi}{6n} ⋯⋯ ⑤그런데 limn4sinπ6nk=1nsec(2k2)π6n=limn2sinπ6nπ6nk=1nsec(k1)π3n×π3n\displaystyle \lim_{n\to\infty}4\sin\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\sec\frac{(2k-2)\pi}{6n}=\lim_{n\to\infty}2\frac{\sin\frac\pi{6n}}{\frac\pi{6n}}\sum_{k=1}^n\sec\frac{(k-1)\pi}{3n}\times\frac\pi{3n}이고,함수 y=secx\displaystyle y=\sec x는 닫힌구간 [0,π3]\displaystyle \left[0,\frac\pi3\right]에서 연속이므로 xk=(k1)π3n,  Δx=π3n\displaystyle x_k=\frac{(k-1)\pi}{3n},\;\Delta x=\frac\pi{3n}로 놓으면limn2sinπ6nπ6nk=1nsec(k1)π3n×π3n=20π3secxdx\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{2\sin\frac\pi{6n}}{\frac\pi{6n}}\sum_{k=1}^n\sec\frac{(k-1)\pi}{3n}\times\frac\pi{3n}=2\int_0^{\frac\pi3}\sec x\,dx ⋯⋯ ⑥또한 limn4sinπ6nk=1nsec2kπ6n=limn2sinπ6nπ6nk=1nseckπ3n×π3n\displaystyle \lim_{n\to\infty}4\sin\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\sec\frac{2k\pi}{6n}=\lim_{n\to\infty}2\frac{\sin\frac\pi{6n}}{\frac\pi{6n}}\sum_{k=1}^n\sec\frac{k\pi}{3n}\times\frac\pi{3n}이고함수 y=secx\displaystyle y=\sec x는 닫힌구간 [0,π3]\displaystyle \left[0,\frac\pi3\right]에서 연속이므로 xk=kπ3n,  Δx=π3n\displaystyle x_k=\frac{k\pi}{3n},\;\Delta x=\frac\pi{3n}로 놓으면limn2sinπ6nπ6nk=1nseckπ3n×π3n=20π3secxdx\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{2\sin\frac\pi{6n}}{\frac\pi{6n}}\sum_{k=1}^n\sec\frac{k\pi}{3n}\times\frac\pi{3n}=2\int_0^{\frac\pi3}\sec x\,dx ⋯⋯ ⑦이므로 ⑤, ⑥, ⑦에 의하여limn4sinπ6nk=1nsec(2k1)π6n=20π3secxdx\displaystyle \lim_{n\to\infty}4\sin\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\sec\frac{(2k-1)\pi}{6n}=2\int_0^{\frac\pi3}\sec x\,dx

+2점 · limn(2nsinπ6ncosπ6n)=π3\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(2n\sin\frac\pi{6n}\cos\frac\pi{6n}\right)=\frac\pi3임을 보일 수 있다.

(ii) limn(2nsinδcosδ)\displaystyle \lim_{n\to\infty}(2n\sin\delta\cos\delta)의 값을 구하면limn(2nsinπ6ncosπ6n)=π3limn(sinπ6nπ6n×cosπ6n)=π3\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(2n\sin\frac\pi{6n}\cos\frac\pi{6n}\right)=\frac\pi3\lim_{n\to\infty}\left(\frac{\sin\frac\pi{6n}}{\frac\pi{6n}}\times\cos\frac\pi{6n}\right)=\frac\pi3

+4점 · limn{2sin2π6nk=1ntan(2k1)π6n}=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\{2\sin^2\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\tan\frac{(2k-1)\pi}{6n}\}=0임을 보일 수 있다.

(iii) limn(2sin2δk=1ntanθk)\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(2\sin^2\delta\sum_{k=1}^n\tan\theta_k\right)의 값을 구하면0tan(2k1)π6ntanπ3=3\displaystyle 0\le\tan\frac{(2k-1)\pi}{6n}\le\tan\frac\pi3=\sqrt3이므로0k=1ntan(2k1)π6n3n\displaystyle 0\le\sum_{k=1}^n\tan\frac{(2k-1)\pi}{6n}\le\sqrt3n02sin2π6nk=1ntan(2k1)π6n23nsin2π6n\displaystyle 0\le2\sin^2\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\tan\frac{(2k-1)\pi}{6n}\le2\sqrt3n\sin^2\frac\pi{6n}이고,limn(23nsin2π6n)=limn23(sinπ6nπ6n)2(π6n)2n=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(2\sqrt3n\sin^2\frac\pi{6n}\right)=\lim_{n\to\infty}2\sqrt3\left(\frac{\sin\frac\pi{6n}}{\frac\pi{6n}}\right)^2\left(\frac\pi{6n}\right)^2n=0이므로limn{2sin2π6nk=1ntan(2k1)π6n}=0\displaystyle \lim_{n\to\infty}\left\{2\sin^2\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\tan\frac{(2k-1)\pi}{6n}\right\}=0

+1점 · limnSn=20π3secxdxπ3\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n=2\int_0^{\frac\pi3}\sec x\,dx-\frac\pi3임을 보일 수 있다.

(i), (ii), (iii)에 의하여 limnSn=20π3secxdxπ3\displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n=2\int_0^{\frac\pi3}\sec x\,dx-\frac\pi3이다.

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