수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

제시문 [가]-[다]를 참고하여 다음 물음에 답하시오.

【1-1】 n\displaystyle n보다 작거나 같은 자연수 k\displaystyle k에 대하여, Pk−1\displaystyle \mathrm{P}_{k-1}과 Pk\displaystyle \mathrm{P}_k를 잇는 경로의 길이를 Lk\displaystyle L_k라 할 때 Lk=12n2k2−(36n+12n2)k+27+18n+4n2\displaystyle L_k=\sqrt{\frac{12}{n^2}k^2-\left(\frac{36}n+\frac{12}{n^2}\right)k+27+\frac{18}n+\frac4{n^2}}임을 보이시오.

【1-2】 문항 【1-1】에서 정의한 Lk\displaystyle L_k에 대하여, 극한값 lim⁡n→∞∑k=1nLk2n\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{L_k^2}n을 구하시오.

【1-3】 두 점 P0\displaystyle \mathrm{P}_0와 P1\displaystyle \mathrm{P}_1을 잇는 경로 위의 점 중에서 밑면으로부터의 높이가 최대인 점을 Qn\displaystyle \mathrm{Q}_n이라고 하고, 점 Qn\displaystyle \mathrm{Q}_n의 밑면으로부터의 높이를 hn\displaystyle h_n이라고 하자. hn\displaystyle h_n을 n\displaystyle n에 대한 식으로 나타내고, 극한값 lim⁡n→∞hn\displaystyle \lim_{n\to\infty}h_n을 구하시오.

【1-4】 원뿔의 꼭짓점을 O\displaystyle \mathrm{O}라고 하고 문항 【1-3】에서 정의한 점 Qn\displaystyle \mathrm{Q}_n과 높이 hn\displaystyle h_n에 대하여 an=OQn‾×hn2\displaystyle a_n=\overline{\mathrm{OQ}_n}\times h_n^2이라고 할 때, n≥2\displaystyle n\ge2인 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an>an+1\displaystyle a_n>a_{n+1}임을 보이시오.

[가] 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 외접원의 반지름의 길이를 R\displaystyle R, 삼각형 ABC\displaystyle \mathrm{ABC}의 넓이를 S\displaystyle S라고 하면asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R\displaystyle \frac a{\sin A}=\frac b{\sin B}=\frac c{\sin C}=2Ra2=b2+c2−2bccos⁡A\displaystyle a^2=b^2+c^2-2bc\cos Ab2=c2+a2−2cacos⁡B\displaystyle b^2=c^2+a^2-2ca\cos Bc2=a2+b2−2abcos⁡C\displaystyle c^2=a^2+b^2-2ab\cos CS=12absin⁡C=12bcsin⁡A=12casin⁡B\displaystyle S=\frac12ab\sin C=\frac12bc\sin A=\frac12ca\sin B

삼각형 ABC와 외접원

[나] 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}의 첫째항부터 제n\displaystyle n항까지의 합a1+a2+a3+⋯+an\displaystyle a_1+a_2+a_3+\cdots+a_n을 기호 ∑\displaystyle \sum를 사용하여 ∑k=1nak\displaystyle \sum_{k=1}^n a_k와 같이 나타낼 수 있다. 즉a1+a2+a3+⋯+an=∑k=1nak\displaystyle a_1+a_2+a_3+\cdots+a_n=\sum_{k=1}^n a_k이다.

[다] 아래 그림과 같이 모선의 길이가 3이고 밑면의 지름의 길이가 2인 직원뿔 모양의 산이 있다. 원뿔의 한 모선이 밑면과 만나는 점을 출발점 A=P0\displaystyle \mathrm{A}=\mathrm{P}_0, 이 모선 위에서 정상으로부터 1만큼 떨어진 점을 도착점 B\displaystyle \mathrm{B}라고 하자. 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 n\displaystyle n등분한 점에 n\displaystyle n개의 전망대 P1,⋯ ,Pn=B\displaystyle \mathrm{P}_1,\cdots,\mathrm{P}_n=\mathrm{B}가 있다(단, n\displaystyle n은 1보다 큰 자연수). 또한, A\displaystyle \mathrm{A}를 출발하여 전망대 P1,⋯ ,Pn−1\displaystyle \mathrm{P}_1,\cdots,\mathrm{P}_{n-1}을 차례로 거쳐 B\displaystyle \mathrm{B}에 도착하는 경로가 있다. 이때, 두 지점 Pk−1\displaystyle \mathrm{P}_{k-1}과 Pk (k=1,⋯ ,n)\displaystyle \mathrm{P}_k\ (k=1,\cdots,n) 사이의 경로는 산 주위를 한 바퀴 회전하면서 두 지점을 최단 거리로 잇는다.

원뿔 모양 산을 한 바퀴씩 도는 경로와 전망대
해설강의 준비중
+1점 · △OPk−1Pk\displaystyle \triangle\mathrm{OP}_{k-1}\mathrm{P}_k에서, 두 변의 길이 OPk−1‾\displaystyle \overline{\mathrm{OP}_{k-1}}, OPk‾\displaystyle \overline{\mathrm{OP}_k}와 그 사이각의 크기를 구하면

1. Pk−1\displaystyle \mathrm{P}_{k-1}과 Pk\displaystyle \mathrm{P}_k 사이의 최단 경로는 그림과 같이 원뿔의 옆면을 펼쳐서 생기는 부채꼴에서, 부채꼴을 이루는 서로 다른 반지름 위에 있는 Pk−1\displaystyle \mathrm{P}_{k-1}과 Pk\displaystyle \mathrm{P}_k를 선분으로 연결한 것이다. 이때, 부채꼴의 반지름의 길이는 원뿔의 모선의 길이와 같으므로 3이고, 호의 길이가 밑면의 원주인 2π\displaystyle 2\pi와 같으므로 중심각은 2π3\displaystyle \frac{2\pi}3이다. △OPk−1Pk\displaystyle \triangle\mathrm{OP}_{k-1}\mathrm{P}_k에서 코사인법칙을 이용하면,

원뿔의 전개도에서 최단 경로 Lk
+1점 · 코사인법칙을 사용하여 Lk\displaystyle L_k를 구하면

Lk2={3−2n(k−1)}2+(3−2nk)2−2{3−2n(k−1)}(3−2nk)cos⁡(2π3)=12n2k2−(36n+12n2)k+27+18n+4n2\displaystyle \begin{aligned}L_k^2&=\left\{3-\frac2n(k-1)\right\}^2+\left(3-\frac2nk\right)^2-2\left\{3-\frac2n(k-1)\right\}\left(3-\frac2nk\right)\cos\left(\frac{2\pi}3\right)\\&=\frac{12}{n^2}k^2-\left(\frac{36}n+\frac{12}{n^2}\right)k+27+\frac{18}n+\frac4{n^2}\end{aligned}이므로 Lk=12n2k2−(36n+12n2)k+27+18n+4n2\displaystyle L_k=\sqrt{\frac{12}{n^2}k^2-\left(\frac{36}n+\frac{12}{n^2}\right)k+27+\frac{18}n+\frac4{n^2}}이다.

+1점 · ∑k=1nLk2n\displaystyle \sum_{k=1}^n\frac{L_k^2}n을 전개하여 n\displaystyle n에 대한 식으로 나타내면

2. ∑k=1nLk2n=12n3×n(n+1)(2n+1)6−(36n2+12n3)n(n+1)2+27+18n+4n2\displaystyle \sum_{k=1}^n\frac{L_k^2}n=\frac{12}{n^3}\times\frac{n(n+1)(2n+1)}6-\left(\frac{36}{n^2}+\frac{12}{n^3}\right)\frac{n(n+1)}2+27+\frac{18}n+\frac4{n^2}이므로

+1점 · 극한을 구하면

lim⁡n→∞∑k=1nLk2n=4−18+27=13\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n\frac{L_k^2}n=4-18+27=13이다.

+1점 · hn\displaystyle h_n을 n\displaystyle n에 대한 식으로 나타내면

3. 부채꼴의 호 위의 임의의 점 R\displaystyle \mathrm{R}에 대하여 두 선분 OR\displaystyle \mathrm{OR}과 P0P1\displaystyle \mathrm{P}_0\mathrm{P}_1의 교점을 Q\displaystyle \mathrm{Q}라고 하자. 밑면으로부터의 높이는 223QR‾\displaystyle \frac{2\sqrt2}3\overline{\mathrm{QR}}이므로 QR‾\displaystyle \overline{\mathrm{QR}}이 최대일 때, 즉, OQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{OQ}}가 최소일 때, 높이가 최대가 된다. 따라서, 높이가 최대가 되게 하는 점 Qn\displaystyle \mathrm{Q}_n은 O\displaystyle \mathrm{O}에서 선분 P0P1\displaystyle \mathrm{P}_0\mathrm{P}_1에 내린 수선의 발이다.OQn‾=bn\displaystyle \overline{\mathrm{OQ}_n}=b_n이라고 놓자. 삼각형 OP0P1\displaystyle \mathrm{OP}_0\mathrm{P}_1의 넓이로부터 12L1bn=12×3(3−2n)×sin⁡2π3\displaystyle \frac12L_1b_n=\frac12\times3\left(3-\frac2n\right)\times\sin\frac{2\pi}3를 얻게 되어bn=332L1(3−2n)=332(3−2n)n27n2−18n+4\displaystyle b_n=\frac{3\sqrt3}{2L_1}\left(3-\frac2n\right)=\frac{3\sqrt3}2\left(3-\frac2n\right)\frac n{\sqrt{27n^2-18n+4}}이다. 따라서,hn=223(3−bn)=223{3−332(3−2n)n27n2−18n+4}\displaystyle h_n=\frac{2\sqrt2}3(3-b_n)=\frac{2\sqrt2}3\left\{3-\frac{3\sqrt3}2\left(3-\frac2n\right)\frac n{\sqrt{27n^2-18n+4}}\right\}

+1점 · 극한을 구하면

이고 lim⁡h→∞hn=223(3−332×327)=2\displaystyle \lim_{h\to\infty}h_n=\frac{2\sqrt2}3\left(3-\frac{3\sqrt3}2\times\frac3{\sqrt{27}}\right)=\sqrt2이다.Correction. 극한 기호 아래의 h→∞\displaystyle h\to\infty는 n→∞\displaystyle n\to\infty의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

전개도와 원뿔에서 높이가 최대인 점 Qn
+2점 · n≥2\displaystyle n\ge2인 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여 an>an+1\displaystyle a_n>a_{n+1}임을 증명하면

4. n\displaystyle n이 커지면, OP1‾\displaystyle \overline{\mathrm{OP}_1}가 길어지므로 ∠OP0P1\displaystyle \angle\mathrm{OP}_0\mathrm{P}_1이 커진다. 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}를 n\displaystyle n등분했을 때 P1\displaystyle \mathrm{P}_1을 P1(n)\displaystyle \mathrm{P}_1^{(n)}으로 나타내면, bn=3sin⁡(∠OP0P1(n))\displaystyle b_n=3\sin(\angle\mathrm{OP}_0\mathrm{P}_1^{(n)})이다. n≥2\displaystyle n\ge2인 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여, 0<∠OP0P1(n)<π6\displaystyle 0<\angle\mathrm{OP}_0\mathrm{P}_1^{(n)}<\frac\pi6이고 사인함수는 구간 (0,π6)\displaystyle \left(0,\frac\pi6\right)에서 증가한다. 따라서, bn<bn+1\displaystyle b_n<b_{n+1}이다. 또한, b2=3319>1\displaystyle b_2=\frac{3\sqrt3}{\sqrt{19}}>1이고 lim⁡n→∞bn=32\displaystyle \lim_{n\to\infty}b_n=\frac32이므로, n≥2\displaystyle n\ge2인 모든 자연수 n\displaystyle n에 대하여, bn∈(1,32)\displaystyle b_n\in\left(1,\frac32\right)이다.

n과 n+1에 따른 선분 bn의 길이 비교

한편, an=89bn(3−bn)2\displaystyle a_n=\frac89b_n(3-b_n)^2이므로, f(x)=x(3−x)2\displaystyle f(x)=x(3-x)^2이라고 하면 an=89f(bn)\displaystyle a_n=\frac89f(b_n)이다.f′(x)=3(x−1)(x−3)\displaystyle f^{\prime}(x)=3(x-1)(x-3)이므로, 구간 (1,32)\displaystyle \left(1,\frac32\right)에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime}(x)<0가 되어 f\displaystyle f는 감소한다.따라서, an>an+1\displaystyle a_n>a_{n+1}이다.

문항당 2점(총점 8점)으로 하며 세부 점수는 다음과 같다.

문제 3의 풀이에서 hn\displaystyle h_n을 n\displaystyle n에 대한 식으로 나타내지 않고 극한값만 적으면 0점 처리한다.

문제 4의 풀이에서 an\displaystyle a_n을 n\displaystyle n에 대한 식으로만 나타낸 경우, 0점 처리한다.

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