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숙명여대 2023학년도 수시 자연계열 3번 · mathesis.kr/archive/sookmyung/2023su/jayeon_3
1단계 · 삼각형 OAiAi+1의 넓이는 sinθicosθi=21sin(2θi)이고 n각형의 넓이는 21i=1∑nsin(2θi)임을 보인다. (별해. ∠AiOAi+1=π−2θi이므로 삼각형 OAiAi+1의 넓이는 21sin(π−2θi)=21sin(2θi)이고 n각형의 넓이는 21i=1∑nsin(2θi)이다.)
■ 3-1삼각형 OAiAi+1의 넓이는 21xh이고 x=2cosθi, h=sinθi이므로21xh=212sinθicosθi=21sin(2θi)(sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ이므로 2sinθicosθi=sin(θi+θi)=sin(2θi)이다.)따라서 원에 내접하는 n각형의 넓이는 21i=1∑nsin(2θi)이다.(별해. θi=∠OAiAi+1이므로 ∠AiOAi+1=π−2θi이다. 따라서 삼각형 OAiAi+1의 넓이는 21sin(π−2θi)=21sin(2θi)이고 n각형의 넓이는 21i=1∑nsin(2θi)이다.)
2단계 · 구간 (0,π)에서 (sinx)′′=−sinx<0이므로 y=sinx의 그래프는 위로 볼록이고(또는 sin함수의 그래프의 그림으로 설명) 제시문 <마>에 의해 n1i=1∑nsin(2θi)≤sin(n1i=1∑n2θi) 이 성립함을 보인다.
한편 f(x)=sinx라 하면 f′′(x)=−sinx이므로 구간 (0,π)에서 f′′(x)<0이다.따라서 구간 (0,π)에서 함수 f(x)=sinx의 그래프는 위로 볼록이고제시문 <마>에 의해 부등식 n1i=1∑nsin(2θi)≤sin(n1i=1∑n2θi)이 성립한다.즉, 21i=1∑nsin(2θi)=2n(n1i=1∑nsin(2θi))≤2nsin(n1i=1∑n2θi)
3단계 · θ1=θ2=⋯=θn일 때 등호가 성립하고 i=1∑n2θi=(n−2)π이므로21i=1∑nsin(2θi)≤2nsinn(n−2)π=2nsin(π−n2π)=2nsin(n2π)따라서 n각형의 넓이의 최댓값은 2nsinn2π임을 보인다.
여기서 i=1∑n2θi는 n각형의 내각의 합이므로i=1∑n2θi=(n−2)π이고, 등호는 θ1=θ2=⋯=θn일 때 성립하므로21i=1∑nsin(2θi)≤2nsinn(n−2)π=2nsin(π−n2π)=2nsin(n2π)즉, 원에 내접하는 n각형의 넓이가 최대인 경우는 정n각형이고 그 넓이는 2nsinn2π이다.
4단계 · 원에 외접하는 정n각형의 넓이는 ntannπ임을 보인다.
■ 3-2문제 3-1에서 원에 내접하는 정n각형의 넓이는 2nsinn2π이다. …… ①원에 외접하는 정n각형의 넓이를 구하자. 원 O에 외접하는 정n각형의 꼭짓점을 각각 B1,B2,⋯,Bn이라 하면 ∠BiOBi+1=n2π이다. 따라서 BiBi+1=2tan2n2π이고 원의 중심 O에서 현 BiBi+1에 내린 수선의 길이는 반지름의 길이와 같으므로 삼각형 BiOBi+1의 넓이 Si는 Si=tannπ이다.
(별해. ∠OBiBi+1=2π−nπ이므로 삼각형 BiOBi+1의 넓이는 cot(2π−nπ)=tannπ이다.)따라서 원에 외접하는 정n각형의 넓이는 ntannπ이다. …… ②
5단계 · 원의 넓이를 A라 하면 2nsinn2π<A<ntannπ임을 보인다.
①, ②에서 원의 넓이를 A라 하면 2nsinn2π<A<ntannπ
6단계 · 삼각함수의 극한을 사용하여 n→∞lim2nsinn2π=π≤A≤π=n→∞limntannπ이므로 원의 넓이는 π임을 보인다.
위 식에 n→∞인 극한을 구하면n→∞lim2nsinn2π=n→∞lim2nn2πn2πsin(n2π)=πn→∞limn2πsin(n2π)=πn→∞limntannπ=n→∞limncosnπsinnπ=n→∞limnsinnπn→∞limsecnπ이다.여기서 n→∞limnsinnπ=n→∞limnnπnπsinnπ=π, n→∞limsecnπ=1이므로 n→∞limntannπ=π이다.따라서 n→∞lim2nsinn2π=π≤A≤π=n→∞limntannπ이므로 A=π즉, 반지름의 길이가 1인 원의 넓이는 π이다.