수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

🔒
짧은 시간에 너무 많은 문제를 여셔서 열람을 잠시 제한했습니다. 잠시 후 다시 시도하시거나 로그인해 주세요.
해설강의 준비중
1단계 · 삼각형 OAiAi+1\displaystyle \mathrm{OA}_i\mathrm A_{i+1}의 넓이는 sinθicosθi=12sin(2θi)\displaystyle \sin\theta_i\cos\theta_i=\frac12\sin(2\theta_i)이고 n\displaystyle n각형의 넓이는 12i=1nsin(2θi)\displaystyle \frac12\sum_{i=1}^n\sin(2\theta_i)임을 보인다. (별해. AiOAi+1=π2θi\displaystyle \angle\mathrm A_i\mathrm{OA}_{i+1}=\pi-2\theta_i이므로 삼각형 OAiAi+1\displaystyle \mathrm{OA}_i\mathrm A_{i+1}의 넓이는 12sin(π2θi)=12sin(2θi)\displaystyle \frac12\sin(\pi-2\theta_i)=\frac12\sin(2\theta_i)이고 n\displaystyle n각형의 넓이는 12i=1nsin(2θi)\displaystyle \frac12\sum_{i=1}^n\sin(2\theta_i)이다.)

■ 3-1삼각형 OAiAi+1\displaystyle \mathrm{OA}_i\mathrm A_{i+1}의 넓이는 12xh\displaystyle \frac12xh이고 x=2cosθi\displaystyle x=2\cos\theta_i, h=sinθi\displaystyle h=\sin\theta_i이므로12xh=122sinθicosθi=12sin(2θi)\displaystyle \frac12xh=\frac122\sin\theta_i\cos\theta_i=\frac12\sin(2\theta_i)(sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ\displaystyle \sin(\alpha+\beta)=\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta이므로 2sinθicosθi=sin(θi+θi)=sin(2θi)\displaystyle 2\sin\theta_i\cos\theta_i=\sin(\theta_i+\theta_i)=\sin(2\theta_i)이다.)따라서 원에 내접하는 n\displaystyle n각형의 넓이는 12i=1nsin(2θi)\displaystyle \frac12\sum_{i=1}^n\sin(2\theta_i)이다.(별해. θi=OAiAi+1\displaystyle \theta_i=\angle\mathrm{OA}_i\mathrm A_{i+1}이므로 AiOAi+1=π2θi\displaystyle \angle\mathrm A_i\mathrm{OA}_{i+1}=\pi-2\theta_i이다. 따라서 삼각형 OAiAi+1\displaystyle \mathrm{OA}_i\mathrm A_{i+1}의 넓이는 12sin(π2θi)=12sin(2θi)\displaystyle \frac12\sin(\pi-2\theta_i)=\frac12\sin(2\theta_i)이고 n\displaystyle n각형의 넓이는 12i=1nsin(2θi)\displaystyle \frac12\sum_{i=1}^n\sin(2\theta_i)이다.)

2단계 · 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에서 (sinx)=sinx<0\displaystyle (\sin x)^{\prime\prime}=-\sin x<0이므로 y=sinx\displaystyle y=\sin x의 그래프는 위로 볼록이고(또는 sin\displaystyle \sin함수의 그래프의 그림으로 설명) 제시문 <마>에 의해 1ni=1nsin(2θi)sin(1ni=1n2θi)\displaystyle \frac1n\sum_{i=1}^n\sin(2\theta_i)\le\sin\left(\frac1n\sum_{i=1}^n2\theta_i\right) 이 성립함을 보인다.

한편 f(x)=sinx\displaystyle f(x)=\sin x라 하면 f(x)=sinx\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=-\sin x이므로 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에서 f(x)<0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)<0이다.따라서 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에서 함수 f(x)=sinx\displaystyle f(x)=\sin x의 그래프는 위로 볼록이고제시문 <마>에 의해 부등식 1ni=1nsin(2θi)sin(1ni=1n2θi)\displaystyle \frac1n\sum_{i=1}^n\sin(2\theta_i)\le\sin\left(\frac1n\sum_{i=1}^n2\theta_i\right)이 성립한다.즉, 12i=1nsin(2θi)=n2(1ni=1nsin(2θi))n2sin(1ni=1n2θi)\displaystyle \frac12\sum_{i=1}^n\sin(2\theta_i)=\frac n2\left(\frac1n\sum_{i=1}^n\sin(2\theta_i)\right)\le\frac n2\sin\left(\frac1n\sum_{i=1}^n2\theta_i\right)

3단계 · θ1=θ2==θn\displaystyle \theta_1=\theta_2=\cdots=\theta_n일 때 등호가 성립하고 i=1n2θi=(n2)π\displaystyle \sum_{i=1}^n2\theta_i=(n-2)\pi이므로12i=1nsin(2θi)n2sin(n2)πn=n2sin(π2πn)=n2sin(2πn)\displaystyle \frac12\sum_{i=1}^n\sin(2\theta_i)\le\frac n2\sin\frac{(n-2)\pi}n=\frac n2\sin\left(\pi-\frac{2\pi}n\right)=\frac n2\sin\left(\frac{2\pi}n\right)따라서 n\displaystyle n각형의 넓이의 최댓값은 n2sin2πn\displaystyle \frac n2\sin\frac{2\pi}n임을 보인다.

여기서 i=1n2θi\displaystyle \sum_{i=1}^n2\theta_in\displaystyle n각형의 내각의 합이므로i=1n2θi=(n2)π\displaystyle \sum_{i=1}^n2\theta_i=(n-2)\pi이고, 등호는 θ1=θ2==θn\displaystyle \theta_1=\theta_2=\cdots=\theta_n일 때 성립하므로12i=1nsin(2θi)n2sin(n2)πn=n2sin(π2πn)=n2sin(2πn)\displaystyle \frac12\sum_{i=1}^n\sin(2\theta_i)\le\frac n2\sin\frac{(n-2)\pi}n=\frac n2\sin\left(\pi-\frac{2\pi}n\right)=\frac n2\sin\left(\frac{2\pi}n\right)즉, 원에 내접하는 n\displaystyle n각형의 넓이가 최대인 경우는 정n\displaystyle n각형이고 그 넓이는 n2sin2πn\displaystyle \frac n2\sin\frac{2\pi}n이다.

4단계 · 원에 외접하는 정n\displaystyle n각형의 넓이는 ntanπn\displaystyle n\tan\frac\pi n임을 보인다.

■ 3-2문제 3-1에서 원에 내접하는 정n\displaystyle n각형의 넓이는 n2sin2πn\displaystyle \frac n2\sin\frac{2\pi}n이다. …… ①원에 외접하는 정n\displaystyle n각형의 넓이를 구하자. 원 O\displaystyle \mathrm O에 외접하는 정n\displaystyle n각형의 꼭짓점을 각각 B1,B2,,Bn\displaystyle \mathrm B_1,\mathrm B_2,\cdots,\mathrm B_n이라 하면 BiOBi+1=2πn\displaystyle \angle\mathrm B_i\mathrm{OB}_{i+1}=\frac{2\pi}n이다. 따라서 BiBi+1=2tan2π2n\displaystyle \overline{\mathrm B_i\mathrm B_{i+1}}=2\tan\frac{2\pi}{2n}이고 원의 중심 O\displaystyle \mathrm O에서 현 BiBi+1\displaystyle \mathrm B_i\mathrm B_{i+1}에 내린 수선의 길이는 반지름의 길이와 같으므로 삼각형 BiOBi+1\displaystyle \mathrm B_i\mathrm{OB}_{i+1}의 넓이 Si\displaystyle S_iSi=tanπn\displaystyle S_i=\tan\frac\pi n이다.

외접 정n각형의 한 변 Bi Bi+1과 중심 O로 이루어진 삼각형

(별해. OBiBi+1=π2πn\displaystyle \angle\mathrm{OB}_i\mathrm B_{i+1}=\frac\pi2-\frac\pi n이므로 삼각형 BiOBi+1\displaystyle \mathrm B_i\mathrm{OB}_{i+1}의 넓이는 cot(π2πn)=tanπn\displaystyle \cot\left(\frac\pi2-\frac\pi n\right)=\tan\frac\pi n이다.)따라서 원에 외접하는 정n\displaystyle n각형의 넓이는 ntanπn\displaystyle n\tan\frac\pi n이다. …… ②

5단계 · 원의 넓이를 A\displaystyle A라 하면 n2sin2πn<A<ntanπn\displaystyle \frac n2\sin\frac{2\pi}n<A<n\tan\frac\pi n임을 보인다.

①, ②에서 원의 넓이를 A\displaystyle A라 하면 n2sin2πn<A<ntanπn\displaystyle \frac n2\sin\frac{2\pi}n<A<n\tan\frac\pi n

6단계 · 삼각함수의 극한을 사용하여 limnn2sin2πn=πAπ=limnntanπn\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac n2\sin\frac{2\pi}n=\pi\le A\le\pi=\lim_{n\to\infty}n\tan\frac\pi n이므로 원의 넓이는 π\displaystyle \pi임을 보인다.

위 식에 n\displaystyle n\to\infty인 극한을 구하면limnn2sin2πn=limnn22πnsin(2πn)2πn=πlimnsin(2πn)2πn=π\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac n2\sin\frac{2\pi}n=\lim_{n\to\infty}\frac n2\frac{2\pi}n\frac{\sin\left(\frac{2\pi}n\right)}{\frac{2\pi}n}=\pi\lim_{n\to\infty}\frac{\sin\left(\frac{2\pi}n\right)}{\frac{2\pi}n}=\pilimnntanπn=limnnsinπncosπn=limnnsinπnlimnsecπn\displaystyle \lim_{n\to\infty}n\tan\frac\pi n=\lim_{n\to\infty}n\frac{\sin\frac\pi n}{\cos\frac\pi n}=\lim_{n\to\infty}n\sin\frac\pi n\lim_{n\to\infty}\sec\frac\pi n이다.여기서 limnnsinπn=limnnπnsinπnπn=π\displaystyle \lim_{n\to\infty}n\sin\frac\pi n=\lim_{n\to\infty}n\frac\pi n\frac{\sin\frac\pi n}{\frac\pi n}=\pi, limnsecπn=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\sec\frac\pi n=1이므로 limnntanπn=π\displaystyle \lim_{n\to\infty}n\tan\frac\pi n=\pi이다.따라서 limnn2sin2πn=πAπ=limnntanπn\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac n2\sin\frac{2\pi}n=\pi\le A\le\pi=\lim_{n\to\infty}n\tan\frac\pi n이므로 A=π\displaystyle A=\pi즉, 반지름의 길이가 1\displaystyle 1인 원의 넓이는 π\displaystyle \pi이다.

등급기준
1등급위의 6가지 기준을 모두 충족시키고 논리 전개가 완벽한 경우
2등급위의 6가지 기준을 모두 충족하나 논리 전개나 표현력이 다소 떨어지는 경우
3등급위의 6가지 기준 중 5가지를 만족하는 경우
4등급위의 6가지 기준 중 4가지를 만족하는 경우
5등급위의 6가지 기준 중 3가지를 만족하는 경우
6등급위의 6가지 기준 중 3가지를 만족하나 논리 전개가 다소 미흡한 경우
7등급위의 6가지 기준 중 2가지를 만족하는 경우
8등급위의 6가지 기준 중 1가지를 만족하는 경우
9등급위의 6가지 기준을 전혀 충족시키지 못한 경우

각 세부 문제별로 다음과 같은 기준을 만족시켜야 한다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.