수리논술, 이게 다다.

자연계열 1-2번

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문제

[문제 1] 다음 물음에 답하시오.

[1.2] 그림과 같이 반지름의 길이가 1\displaystyle 1이고 중심각이 π4\displaystyle \frac\pi4인 부채꼴 P1OQ1\displaystyle \mathrm{P}_1\mathrm{OQ}_1이 있다. 점 Q1\displaystyle \mathrm{Q}_1에서 선분 OP1\displaystyle \mathrm{OP}_1에 내린 수선의 발을 P2\displaystyle \mathrm{P}_2라 하고, 선분 OQ1\displaystyle \mathrm{OQ}_1 위에 OP2‾=OQ2‾\displaystyle \overline{\mathrm{OP}_2}=\overline{\mathrm{OQ}_2}인 점 Q2\displaystyle \mathrm{Q}_2를 택하여 중심각이 π4\displaystyle \frac\pi4인 부채꼴 P2OQ2\displaystyle \mathrm{P}_2\mathrm{OQ}_2를 부채꼴 P1OQ1\displaystyle \mathrm{P}_1\mathrm{OQ}_1의 내부에 그린다. 점 Q2\displaystyle \mathrm{Q}_2에서 선분 OP2\displaystyle \mathrm{OP}_2에 내린 수선의 발을 P3\displaystyle \mathrm{P}_3, 선분 OQ2\displaystyle \mathrm{OQ}_2 위에 OP3‾=OQ3‾\displaystyle \overline{\mathrm{OP}_3}=\overline{\mathrm{OQ}_3}인 점 Q3\displaystyle \mathrm{Q}_3을 택하여 중심각인 π4\displaystyle \frac\pi4인 부채꼴 P3OQ3\displaystyle \mathrm{P}_3\mathrm{OQ}_3을 부채꼴 P2OQ2\displaystyle \mathrm{P}_2\mathrm{OQ}_2의 내부에 그린다. 이와 같은 방법으로 부채꼴을 한없이 그려 나간다. 삼각형 QnPnPn+1\displaystyle \mathrm{Q}_n\mathrm{P}_n\mathrm{P}_{n+1}의 넓이를 an\displaystyle a_n이라 할 때, 급수 ∑n=1∞an\displaystyle \sum_{n=1}^\infty a_n의 합을 구하시오.

중심각이 π/4이고 반지름이 차례로 줄어드는 부채꼴
해설강의 준비중

[1.2] 삼각형 Q1P2O\displaystyle \mathrm{Q}_1\mathrm{P}_2\mathrm{O}은 각 Q1P2O\displaystyle \mathrm{Q}_1\mathrm{P}_2\mathrm{O}가 직각인 직각이등변삼각형이고 빗변의 길이가 1\displaystyle 1이므로Q1P2‾=OP2‾=12,P1P2‾=1−12\displaystyle \overline{\mathrm{Q}_1\mathrm{P}_2}=\overline{\mathrm{OP}_2}=\frac1{\sqrt2},\quad\overline{\mathrm{P}_1\mathrm{P}_2}=1-\frac1{\sqrt2}이다. 따라서 a1=2−14\displaystyle a_1=\frac{\sqrt2-1}4이다. 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 삼각형 QnPn+1O\displaystyle \mathrm{Q}_n\mathrm{P}_{n+1}\mathrm{O}이 각 QnPn+1O\displaystyle \mathrm{Q}_n\mathrm{P}_{n+1}\mathrm{O}가 직각인 직각이등변삼각형이므로,QnPn+1‾=OPn+1‾,OPn+1‾=12OQn‾\displaystyle \overline{\mathrm{Q}_n\mathrm{P}_{n+1}}=\overline{\mathrm{OP}_{n+1}},\quad\overline{\mathrm{OP}_{n+1}}=\frac1{\sqrt2}\overline{\mathrm{OQ}_n}이고, 문제의 조건에서 OPn‾=OQn‾\displaystyle \overline{\mathrm{OP}_n}=\overline{\mathrm{OQ}_n}이다. 따라서OPn+1‾=12OPn‾,Qn+1Pn+2‾=OPn+2‾=12OPn+1‾=12QnPn+1‾,\displaystyle \overline{\mathrm{OP}_{n+1}}=\frac1{\sqrt2}\overline{\mathrm{OP}_n},\quad\overline{\mathrm{Q}_{n+1}\mathrm{P}_{n+2}}=\overline{\mathrm{OP}_{n+2}}=\frac1{\sqrt2}\overline{\mathrm{OP}_{n+1}}=\frac1{\sqrt2}\overline{\mathrm{Q}_n\mathrm{P}_{n+1}},an=12×PnPn+1‾×QnPn+1‾=12×(OPn‾−OPn+1‾)×QnPn+1‾\displaystyle a_n=\frac12\times\overline{\mathrm{P}_n\mathrm{P}_{n+1}}\times\overline{\mathrm{Q}_n\mathrm{P}_{n+1}}=\frac12\times(\overline{\mathrm{OP}_n}-\overline{\mathrm{OP}_{n+1}})\times\overline{\mathrm{Q}_n\mathrm{P}_{n+1}}로부터an+1=12×(OPn+1‾−OPn+2‾)×Qn+1Pn+2‾=12×(12OPn‾−12OPn+1‾)×12×QnPn+1‾=14×(OPn‾−OPn+1‾)×QnPn+1‾=12an,\displaystyle \begin{aligned}a_{n+1}&=\frac12\times(\overline{\mathrm{OP}_{n+1}}-\overline{\mathrm{OP}_{n+2}})\times\overline{\mathrm{Q}_{n+1}\mathrm{P}_{n+2}}\\&=\frac12\times\left(\frac1{\sqrt2}\overline{\mathrm{OP}_n}-\frac1{\sqrt2}\overline{\mathrm{OP}_{n+1}}\right)\times\frac1{\sqrt2}\times\overline{\mathrm{Q}_n\mathrm{P}_{n+1}}\\&=\frac14\times(\overline{\mathrm{OP}_n}-\overline{\mathrm{OP}_{n+1}})\times\overline{\mathrm{Q}_n\mathrm{P}_{n+1}}=\frac12a_n,\end{aligned}즉 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}은 첫째항이 2−14\displaystyle \frac{\sqrt2-1}4이고 공비가 12\displaystyle \frac12인 등비수열이므로, 급수 ∑n=1∞an\displaystyle \sum_{n=1}^\infty a_n의 합은2−141−12=2−12\displaystyle \frac{\frac{\sqrt2-1}4}{1-\frac12}=\frac{\sqrt2-1}2이다.

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