수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1-2번

문제

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[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=112\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=214\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×(OPnOPn+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+1OPn+2)×Qn+1Pn+2=12×(12OPn12OPn+1)×12×QnPn+1=14×(OPnOPn+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 214\displaystyle \frac{\sqrt2-1}4이고 공비가 12\displaystyle \frac12인 등비수열이므로, 급수 n=1an\displaystyle \sum_{n=1}^\infty a_n의 합은214112=212\displaystyle \frac{\frac{\sqrt2-1}4}{1-\frac12}=\frac{\sqrt2-1}2이다.

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