[3-1]
+3점 · 직사각형의 짧은 변의 길이를 구할 수 있다. ∠ A 0 O A 1 = π 3 \displaystyle \angle\mathrm A_0\mathrm O\mathrm A_1=\frac\pi3 ∠ A 0 O A 1 = 3 π 이므로 삼각형 A 0 O A 1 \displaystyle \mathrm A_0\mathrm O\mathrm A_1 A 0 O A 1 은 한 변의 길이가 1인 정삼각형이다. 그러므로 A 0 A 1 ‾ = 1 \displaystyle \overline{\mathrm A_0\mathrm A_1}=1 A 0 A 1 = 1 ⋯⋯ ①
+5점 · 직사각형의 긴 변의 길이를 구할 수 있다. 선분 A 0 A 1 \displaystyle \mathrm A_0\mathrm A_1 A 0 A 1 의 중점을 C 1 \displaystyle \mathrm C_1 C 1 , 넓이가 T 1 \displaystyle T_1 T 1 인 직사각형이 선분 B 0 B 1 \displaystyle \mathrm B_0\mathrm B_1 B 0 B 1 과 만나는 점을 D 1 \displaystyle \mathrm D_1 D 1 이라 하면 ∠ A 0 O C 1 = ∠ B 0 A 0 D 1 \displaystyle \angle\mathrm A_0\mathrm O\mathrm C_1=\angle\mathrm B_0\mathrm A_0\mathrm D_1 ∠ A 0 O C 1 = ∠ B 0 A 0 D 1 이므로∠ B 0 A 0 D 1 = 1 2 × π 3 = π 6 \displaystyle \angle\mathrm B_0\mathrm A_0\mathrm D_1=\frac12\times\frac\pi3=\frac\pi6 ∠ B 0 A 0 D 1 = 2 1 × 3 π = 6 π 이다.A 0 D 1 ‾ cos π 6 = A 0 B 0 ‾ \displaystyle \overline{\mathrm A_0\mathrm D_1}\cos\frac\pi6=\overline{\mathrm A_0\mathrm B_0} A 0 D 1 cos 6 π = A 0 B 0 에서A 0 D 1 ‾ = 1 cos π 6 = 2 3 = 2 3 3 \displaystyle \overline{\mathrm A_0\mathrm D_1}=\frac1{\cos\frac\pi6}=\frac2{\sqrt3}=\frac{2\sqrt3}3 A 0 D 1 = cos 6 π 1 = 3 2 = 3 2 3 ⋯⋯ ②
+2점 · S 1 \displaystyle S_1 S 1 을 구할 수 있다. ①, ②에 의하여 S 1 = T 1 = 1 × 2 3 3 = 2 3 3 \displaystyle S_1=T_1=1\times\frac{2\sqrt3}3=\frac{2\sqrt3}3 S 1 = T 1 = 1 × 3 2 3 = 3 2 3 이다.
[3-2]
+5점 · 넓이가 T k \displaystyle T_k T k 인 직사각형의 짧은 변의 길이를 2 sin π 6 n \displaystyle 2\sin\frac\pi{6n} 2 sin 6 n π 로 나타낼 수 있다. 선분 A k − 1 A k \displaystyle \mathrm A_{k-1}\mathrm A_k A k − 1 A k 의 중점을 C k \displaystyle \mathrm C_k C k 라 하자. ∠ A k − 1 O C k = δ \displaystyle \angle\mathrm A_{k-1}\mathrm O\mathrm C_k=\delta ∠ A k − 1 O C k = δ 라 하면 ∠ A k − 1 O A k = π 3 n \displaystyle \angle\mathrm A_{k-1}\mathrm O\mathrm A_k=\frac\pi{3n} ∠ A k − 1 O A k = 3 n π 이므로 δ = π 6 n \displaystyle \delta=\frac\pi{6n} δ = 6 n π 이다. O A k − 1 ‾ = 1 \displaystyle \overline{\mathrm O\mathrm A_{k-1}}=1 O A k − 1 = 1 이므로 A k − 1 C k ‾ = sin δ \displaystyle \overline{\mathrm A_{k-1}\mathrm C_k}=\sin\delta A k − 1 C k = sin δ 이다. 그러므로 A k − 1 A k ‾ = 2 sin δ \displaystyle \overline{\mathrm A_{k-1}\mathrm A_k}=2\sin\delta A k − 1 A k = 2 sin δ ⋯⋯ ③∠ A 0 O A k = t k \displaystyle \angle\mathrm A_0\mathrm O\mathrm A_k=t_k ∠ A 0 O A k = t k 라 하면 t k = k 3 n \displaystyle t_k=\frac k{3n} t k = 3 n k 이고, ∠ A 0 O C k = θ k \displaystyle \angle\mathrm A_0\mathrm O\mathrm C_k=\theta_k ∠ A 0 O C k = θ k 라 하면, t k − 1 = θ k − δ \displaystyle t_{k-1}=\theta_k-\delta t k − 1 = θ k − δ 이다.Correction. t k = k 3 n \displaystyle t_k=\frac{k}{3n} t k = 3 n k 에서 π \displaystyle \pi π 가 빠졌다. t k = k π 3 n \displaystyle t_k=\frac{k\pi}{3n} t k = 3 n k π 이 맞다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.
+5점 · 넓이가 T k \displaystyle T_k T k 인 직사각형의 긴 변의 길이를 2 − cos ( k − 1 ) π 3 n cos ( 2 k − 1 ) π 6 n \displaystyle \frac{2-\cos\frac{(k-1)\pi}{3n}}{\cos\frac{(2k-1)\pi}{6n}} cos 6 n ( 2 k − 1 ) π 2 − cos 3 n ( k − 1 ) π 로 나타낼 수 있다. 한편, 넓이가 T k \displaystyle T_k T k 인 직사각형이 선분 B k − 1 B k \displaystyle \mathrm B_{k-1}\mathrm B_k B k − 1 B k 와 만나는 점을 D k \displaystyle \mathrm D_k D k 라 하면 A k − 1 D k ‾ cos θ k = 2 − cos t k − 1 \displaystyle \overline{\mathrm A_{k-1}\mathrm D_k}\cos\theta_k=2-\cos t_{k-1} A k − 1 D k cos θ k = 2 − cos t k − 1 에서A k − 1 D k ‾ = 2 − cos t k − 1 cos θ k = 2 − cos ( θ k − δ ) cos θ k = 2 sec θ k − cos θ k cos δ + sin θ k sin δ cos θ k \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} A k − 1 D k = cos θ k 2 − cos t k − 1 = cos θ k 2 − cos ( θ k − δ ) = 2 sec θ k − cos θ k cos θ k cos δ + sin θ k sin δ ⋯⋯ ④
+3점 · 삼각함수의 덧셈정리를 이용하여 T k \displaystyle T_k T k 를 2 sin π 6 n { 2 sec ( 2 k − 1 ) π 6 n − cos π 6 n − sin π 6 n tan ( 2 k − 1 ) π 6 n } \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}\} 2 sin 6 n π { 2 sec 6 n ( 2 k − 1 ) π − cos 6 n π − sin 6 n π tan 6 n ( 2 k − 1 ) π } 로 나타낼 수 있다. ③, ④에 의하여 T k = 2 sin δ ( 2 sec θ k − cos θ k cos δ + sin θ k sin δ cos θ k ) = 2 sin δ ( 2 sec θ k − cos δ − sin δ tan θ k ) \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} T k = 2 sin δ ( 2 sec θ k − cos θ k cos θ k cos δ + sin θ k sin δ ) = 2 sin δ ( 2 sec θ k − cos δ − sin δ tan θ k ) 이므로 S n = ∑ k = 1 n { 2 sin δ ( 2 sec θ k − cos δ − sin δ tan θ k ) } = 4 sin δ ∑ k = 1 n sec θ k − 2 n sin δ cos δ − 2 sin 2 δ ∑ k = 1 n tan θ k \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} S n = k = 1 ∑ n { 2 sin δ ( 2 sec θ k − cos δ − sin δ tan θ k )} = 4 sin δ k = 1 ∑ n sec θ k − 2 n sin δ cos δ − 2 sin 2 δ k = 1 ∑ n tan θ k lim n → ∞ S n \displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n n → ∞ lim S n 의 값을 항별로 나누어 구하자.
+5점 · lim n → ∞ 4 sin π 6 n ∑ k = 1 n sec ( 2 k − 1 ) π 6 n = 2 ∫ 0 π 3 sec x d x \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 n → ∞ lim 4 sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 6 n ( 2 k − 1 ) π = 2 ∫ 0 3 π sec x d x 임을 보일 수 있다. (i) lim n → ∞ 4 sin δ ∑ k = 1 n sec θ k \displaystyle \lim_{n\to\infty}4\sin\delta\sum_{k=1}^n\sec\theta_k n → ∞ lim 4 sin δ k = 1 ∑ n sec θ k 의 값을 구하면 함수 y = sec x \displaystyle y=\sec x y = sec x 는 0 < x < π 3 \displaystyle 0<x<\frac\pi3 0 < x < 3 π 에서 증가하므로 ∑ k = 1 n sec ( 2 k − 2 ) π 6 n ≤ ∑ k = 1 n sec ( 2 k − 1 ) π 6 n ≤ ∑ k = 1 n sec 2 k π 6 n \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} k = 1 ∑ n sec 6 n ( 2 k − 2 ) π ≤ k = 1 ∑ n sec 6 n ( 2 k − 1 ) π ≤ k = 1 ∑ n sec 6 n 2 k π 에서4 sin π 6 n ∑ k = 1 n sec ( 2 k − 2 ) π 6 n ≤ 4 sin π 6 n ∑ k = 1 n sec ( 2 k − 1 ) π 6 n ≤ 4 sin π 6 n ∑ k = 1 n sec 2 k π 6 n \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} 4 sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 6 n ( 2 k − 2 ) π ≤ 4 sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 6 n ( 2 k − 1 ) π ≤ 4 sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 6 n 2 k π ⋯⋯ ⑤그런데 lim n → ∞ 4 sin π 6 n ∑ k = 1 n sec ( 2 k − 2 ) π 6 n = lim n → ∞ 2 sin π 6 n π 6 n ∑ k = 1 n sec ( k − 1 ) π 3 n × π 3 n \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} n → ∞ lim 4 sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 6 n ( 2 k − 2 ) π = n → ∞ lim 2 6 n π sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 3 n ( k − 1 ) π × 3 n π 이고, 함수 y = sec x \displaystyle y=\sec x y = sec x 는 닫힌구간 [ 0 , π 3 ] \displaystyle \left[0,\frac\pi3\right] [ 0 , 3 π ] 에서 연속이므로 x k = ( k − 1 ) π 3 n , Δ x = π 3 n \displaystyle x_k=\frac{(k-1)\pi}{3n},\;\Delta x=\frac\pi{3n} x k = 3 n ( k − 1 ) π , Δ x = 3 n π 로 놓으면 lim n → ∞ 2 sin π 6 n π 6 n ∑ k = 1 n sec ( k − 1 ) π 3 n × π 3 n = 2 ∫ 0 π 3 sec x d x \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 n → ∞ lim 6 n π 2 sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 3 n ( k − 1 ) π × 3 n π = 2 ∫ 0 3 π sec x d x ⋯⋯ ⑥또한 lim n → ∞ 4 sin π 6 n ∑ k = 1 n sec 2 k π 6 n = lim n → ∞ 2 sin π 6 n π 6 n ∑ k = 1 n sec k π 3 n × π 3 n \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} n → ∞ lim 4 sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 6 n 2 k π = n → ∞ lim 2 6 n π sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 3 n k π × 3 n π 이고 함수 y = sec x \displaystyle y=\sec x y = sec x 는 닫힌구간 [ 0 , π 3 ] \displaystyle \left[0,\frac\pi3\right] [ 0 , 3 π ] 에서 연속이므로 x k = k π 3 n , Δ x = π 3 n \displaystyle x_k=\frac{k\pi}{3n},\;\Delta x=\frac\pi{3n} x k = 3 n k π , Δ x = 3 n π 로 놓으면 lim n → ∞ 2 sin π 6 n π 6 n ∑ k = 1 n sec k π 3 n × π 3 n = 2 ∫ 0 π 3 sec x d x \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 n → ∞ lim 6 n π 2 sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 3 n k π × 3 n π = 2 ∫ 0 3 π sec x d x ⋯⋯ ⑦이므로 ⑤, ⑥, ⑦에 의하여 lim n → ∞ 4 sin π 6 n ∑ k = 1 n sec ( 2 k − 1 ) π 6 n = 2 ∫ 0 π 3 sec x d x \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 n → ∞ lim 4 sin 6 n π k = 1 ∑ n sec 6 n ( 2 k − 1 ) π = 2 ∫ 0 3 π sec x d x
+2점 · lim n → ∞ ( 2 n sin π 6 n cos π 6 n ) = π 3 \displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(2n\sin\frac\pi{6n}\cos\frac\pi{6n}\right)=\frac\pi3 n → ∞ lim ( 2 n sin 6 n π cos 6 n π ) = 3 π 임을 보일 수 있다. (ii) lim n → ∞ ( 2 n sin δ cos δ ) \displaystyle \lim_{n\to\infty}(2n\sin\delta\cos\delta) n → ∞ lim ( 2 n sin δ cos δ ) 의 값을 구하면 lim n → ∞ ( 2 n sin π 6 n cos π 6 n ) = π 3 lim n → ∞ ( sin π 6 n π 6 n × cos π 6 n ) = π 3 \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 n → ∞ lim ( 2 n sin 6 n π cos 6 n π ) = 3 π n → ∞ lim ( 6 n π sin 6 n π × cos 6 n π ) = 3 π
+4점 · lim n → ∞ { 2 sin 2 π 6 n ∑ k = 1 n tan ( 2 k − 1 ) π 6 n } = 0 \displaystyle \lim_{n\to\infty}\{2\sin^2\frac\pi{6n}\sum_{k=1}^n\tan\frac{(2k-1)\pi}{6n}\}=0 n → ∞ lim { 2 sin 2 6 n π k = 1 ∑ n tan 6 n ( 2 k − 1 ) π } = 0 임을 보일 수 있다. (iii) lim n → ∞ ( 2 sin 2 δ ∑ k = 1 n tan θ k ) \displaystyle \lim_{n\to\infty}\left(2\sin^2\delta\sum_{k=1}^n\tan\theta_k\right) n → ∞ lim ( 2 sin 2 δ k = 1 ∑ n tan θ k ) 의 값을 구하면 0 ≤ tan ( 2 k − 1 ) π 6 n ≤ tan π 3 = 3 \displaystyle 0\le\tan\frac{(2k-1)\pi}{6n}\le\tan\frac\pi3=\sqrt3 0 ≤ tan 6 n ( 2 k − 1 ) π ≤ tan 3 π = 3 이므로0 ≤ ∑ k = 1 n tan ( 2 k − 1 ) π 6 n ≤ 3 n \displaystyle 0\le\sum_{k=1}^n\tan\frac{(2k-1)\pi}{6n}\le\sqrt3n 0 ≤ k = 1 ∑ n tan 6 n ( 2 k − 1 ) π ≤ 3 n 0 ≤ 2 sin 2 π 6 n ∑ k = 1 n tan ( 2 k − 1 ) π 6 n ≤ 2 3 n sin 2 π 6 n \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} 0 ≤ 2 sin 2 6 n π k = 1 ∑ n tan 6 n ( 2 k − 1 ) π ≤ 2 3 n sin 2 6 n π 이고,lim n → ∞ ( 2 3 n sin 2 π 6 n ) = lim n → ∞ 2 3 ( sin π 6 n π 6 n ) 2 ( π 6 n ) 2 n = 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=0 n → ∞ lim ( 2 3 n sin 2 6 n π ) = n → ∞ lim 2 3 ( 6 n π sin 6 n π ) 2 ( 6 n π ) 2 n = 0 이므로lim n → ∞ { 2 sin 2 π 6 n ∑ k = 1 n tan ( 2 k − 1 ) π 6 n } = 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 n → ∞ lim { 2 sin 2 6 n π k = 1 ∑ n tan 6 n ( 2 k − 1 ) π } = 0
+1점 · lim n → ∞ S n = 2 ∫ 0 π 3 sec x d x − π 3 \displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n=2\int_0^{\frac\pi3}\sec x\,dx-\frac\pi3 n → ∞ lim S n = 2 ∫ 0 3 π sec x d x − 3 π 임을 보일 수 있다. (i), (ii), (iii)에 의하여 lim n → ∞ S n = 2 ∫ 0 π 3 sec x d x − π 3 \displaystyle \lim_{n\to\infty}S_n=2\int_0^{\frac\pi3}\sec x\,dx-\frac\pi3 n → ∞ lim S n = 2 ∫ 0 3 π sec x d x − 3 π 이다.