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자연계 2교시 수학2

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문제

[ 수학 2 ]다음 <제시문1> ~ <제시문2>를 읽고 [수학2 - ⅰ] ~ [수학2 - ⅲ]을 문항별로 풀이와 함께 답하시오.

<제시문1>오른쪽 그림과 같이 좌표평면 위에 중심이 원점 O\displaystyle \mathrm{O}이고 반지름이 1\displaystyle 1인 원 위에 점 P0(0,1)\displaystyle \mathrm{P}_0(0,1)을 잡는다. 선분 OP0\displaystyle \mathrm{OP}_0을 원점을 중심으로 하여 시계방향으로 π4\displaystyle \frac\pi4만큼 회전시킨 선분 위에, 점 P0\displaystyle \mathrm{P}_0으로부터 내린 수선의 발을 점 P1\displaystyle \mathrm{P}_1이라고 한다. 다시 선분 OP1\displaystyle \mathrm{OP}_1을 원점을 중심으로 하여 시계방향으로 π8\displaystyle \frac\pi8만큼 회전시킨 선분 위에, 점 P1\displaystyle \mathrm{P}_1에서 내린 수선의 발을 점 P2\displaystyle \mathrm{P}_2라고 한다. 위의 과정을 n\displaystyle n번 반복하였을 때 생기는 점을 Pn\displaystyle \mathrm{P}_n이라고 한다.즉, 선분 OPn−1\displaystyle \mathrm{OP}_{n-1}을 원점을 중심으로 하여 시계방향으로 π2n+1\displaystyle \frac\pi{2^{n+1}}만큼 회전시킨 선분 위에, 점 Pn−1\displaystyle \mathrm{P}_{n-1}에서 내린 수선의 발을 점 Pn\displaystyle \mathrm{P}_n이라고 한다. 이때, 점 Pn\displaystyle \mathrm{P}_n의 좌표는 (xn,yn)\displaystyle (x_n,y_n)이라고 한다.

사분원 안에서 선분을 차례로 회전하고 수선을 내려 정한 P₀, P₁, P₂

<제시문2>lim⁡x→0sin⁡xx\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin x}x의 값은 1\displaystyle 1이다. (단, x\displaystyle x의 단위는 라디안)

[수학2 - ⅰ] 점 P1\displaystyle \mathrm{P}_1의 좌표 (x1,y1)\displaystyle (x_1,y_1)을 구하고, 그 이유를 논하시오.

[수학2 - ⅱ] ∑n=0∞yn\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}y_n의 값을 구하고, 그 이유를 논하시오.

[수학2 - ⅲ] lim⁡n→∞xn\displaystyle \lim_{n\to\infty}x_n의 값을 구하고, 그 이유를 논하시오.

해설강의 준비중
ⅰ · 삼각함수를 이용하여, 좌표평면 위의 점의 좌표를 표현할 수 있다.

[수학2 - ⅰ]선분 OP1\displaystyle \mathrm{OP}_1의 길이는 cos⁡(π4)=22\displaystyle \cos\left(\frac\pi4\right)=\frac{\sqrt2}2이고 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기가 π4\displaystyle \frac\pi4이므로, 점 P1\displaystyle \mathrm{P}_1의 좌표는 22(cos⁡(π4),sin⁡(π4))=(12,12)\displaystyle \frac{\sqrt2}2\left(\cos\left(\frac\pi4\right),\sin\left(\frac\pi4\right)\right)=\left(\frac12,\frac12\right)이다.

ⅱ · 삼각함수의 배각공식을 활용할 수 있다.

[수학2 - ⅱ]각 ∠Pn−1OPn\displaystyle \angle\mathrm{P}_{n-1}\mathrm{OP}_n의 크기는 π2n+1\displaystyle \frac\pi{2^{n+1}}이므로 각 ∠P0OPn\displaystyle \angle\mathrm{P}_0\mathrm{OP}_n의 크기는 π(14+⋯+12n+1)=π2−π2n+1\displaystyle \pi\left(\frac14+\cdots+\frac1{2^{n+1}}\right)=\frac\pi2-\frac\pi{2^{n+1}}이다. 따라서 선분 OPn\displaystyle \mathrm{OP}_n이 x\displaystyle x축의 양의 방향과 이루는 각의 크기는 π2n+1\displaystyle \frac\pi{2^{n+1}}이다.또한 OPn‾=OPn−1‾×cos⁡(π2n+1)\displaystyle \overline{\mathrm{OP}_n}=\overline{\mathrm{OP}_{n-1}}\times\cos\left(\frac\pi{2^{n+1}}\right) 로부터 OPn‾\displaystyle \overline{\mathrm{OP}_n}의 값은 cos⁡(π4)×⋯×cos⁡(π2n+1)\displaystyle \cos\left(\frac\pi4\right)\times\cdots\times\cos\left(\frac\pi{2^{n+1}}\right)임을 얻는다. 이를 이용하여, 점 Pn\displaystyle \mathrm{P}_n의 y\displaystyle y좌표인 yn\displaystyle y_n의 값은 cos⁡(π4)×⋯×cos⁡(π2n+1)×sin⁡(π2n+1)\displaystyle \cos\left(\frac\pi4\right)\times\cdots\times\cos\left(\frac\pi{2^{n+1}}\right)\times\sin\left(\frac\pi{2^{n+1}}\right)이 된다. 이 식에 삼각함수의 배각공식을 적용하면, yn=12n\displaystyle y_n=\frac1{2^n}임을 얻게 된다.

ⅱ · 등비수열의 합을 구할 수 있다.

따라서 ∑n=0∞yn=∑n=0∞12n=2\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}y_n=\sum_{n=0}^{\infty}\frac1{2^n}=2이다.

ⅲ · 삼각함수의 극한을 구할 수 있다.

[수학2 - ⅲ][수학2 - ⅱ]로부터 xn\displaystyle x_n의 값은 cos⁡(π4)×⋯×cos⁡(π2n+1)×cos⁡(π2n+1)\displaystyle \cos\left(\frac\pi4\right)\times\cdots\times\cos\left(\frac\pi{2^{n+1}}\right)\times\cos\left(\frac\pi{2^{n+1}}\right)이다.양변을 sin⁡(π2n+1)\displaystyle \sin\left(\frac\pi{2^{n+1}}\right)로 곱하면, xn×sin⁡(π2n+1)=12ncos⁡(π2n+1)\displaystyle x_n\times\sin\left(\frac\pi{2^{n+1}}\right)=\frac1{2^n}\cos\left(\frac\pi{2^{n+1}}\right)이 된다.따라서 lim⁡n→∞xn=2π×lim⁡n→∞π/2n+1sin⁡(π/2n+1)×cos⁡(π2n+1)\displaystyle \lim_{n\to\infty}x_n=\frac2\pi\times\lim_{n\to\infty}\frac{\pi/2^{n+1}}{\sin(\pi/2^{n+1})}\times\cos\left(\frac\pi{2^{n+1}}\right)이 된다.<제시문2>를 이용하면 lim⁡n→∞xn=2π\displaystyle \lim_{n\to\infty}x_n=\frac2\pi을 얻는다.

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