수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

중심이 점 O이고 반지름의 길이가 1인 원에 내접하는 정n\displaystyle n각형에서 이웃한 두 꼭짓점을 각각 Pn\displaystyle P_n, Qn\displaystyle Q_n이라고 하고, 점 O에서 선분 PnQn\displaystyle P_nQ_n에 내린 수선의 발을 Rn\displaystyle R_n이라고 하자. 이 정n\displaystyle n각형에 내접하는 원 On\displaystyle O_n의 넓이를 an\displaystyle a_n, 둘레의 길이를 bn\displaystyle b_n이라 하자. (단, n\displaystyle n은 3 이상의 자연수)

정다각형과 내접원의 그림

다음 물음에 답하시오. [총25점]

(1) 직각삼각형 OPnRn\displaystyle OP_nR_n의 넓이를 구하시오. [7점]

(2) b6−2a6\displaystyle b_6-2a_6의 값을 구하시오. [6점]

(3) lim⁡n→∞n2(bn−2an)\displaystyle \lim_{n\to\infty}n^2(b_n-2a_n)을 구하시오. [12점]

해설강의 준비중
+7점 · (1) 아래에 제시된 단계에 따라 1~6등급으로 채점한다.

(1)∠PnORn=12×2πn=πn\displaystyle \angle P_nOR_n=\frac12\times\frac{2\pi}n=\frac\pi n이고, OPn=1\displaystyle OP_n=1, PnRn=sin⁡πn\displaystyle P_nR_n=\sin\frac\pi n, ORn=cos⁡πn\displaystyle OR_n=\cos\frac\pi n이므로직각삼각형 OPnRn\displaystyle OP_nR_n의 넓이는 12×sin⁡πn×cos⁡πn\displaystyle \frac12\times\sin\frac\pi n\times\cos\frac\pi n이다.

+6점 · (2) 아래에 제시된 단계에 따라 1~6등급으로 채점한다.

(2)정n\displaystyle n각형에 내접하는 원 On\displaystyle O_n의 반지름의 길이는 ORn=cos⁡πn\displaystyle OR_n=\cos\frac\pi n이므로, 원 On\displaystyle O_n의 넓이는an=π(cos⁡πn)2\displaystyle a_n=\pi\left(\cos\frac\pi n\right)^2이고, 둘레의 길이는 bn=2πcos⁡πn\displaystyle b_n=2\pi\cos\frac\pi n이다.따라서 b6−2a6=2πcos⁡π6−2π(cos⁡π6)2=π3−32π=π(23−3)2\displaystyle b_6-2a_6=2\pi\cos\frac\pi6-2\pi\left(\cos\frac\pi6\right)^2=\pi\sqrt3-\frac32\pi=\frac{\pi(2\sqrt3-3)}2이다.

+12점 · (3) 아래에 제시된 단계에 따라 1~6등급으로 채점한다.

(3)n2(bn−2an)=n2(2πcos⁡πn−2π(cos⁡πn)2)=2π3×cos⁡πn×1−cos⁡πn(πn)2\displaystyle n^2(b_n-2a_n)=n^2\left(2\pi\cos\frac\pi n-2\pi\left(\cos\frac\pi n\right)^2\right)=2\pi^3\times\cos\frac\pi n\times\frac{1-\cos\frac\pi n}{\left(\frac\pi n\right)^2}이고,x=πn\displaystyle x=\frac\pi n로 두면lim⁡x→0cos⁡x=1\displaystyle \lim_{x\to0}\cos x=1이므로 lim⁡n→∞cos⁡πn=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}\cos\frac\pi n=1이고,lim⁡x→01−cos⁡xx2=lim⁡x→01−cos⁡2xx2(1+cos⁡x)=lim⁡x→0sin⁡2xx2(1+cos⁡x)\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x^2}=\lim_{x\to0}\frac{1-\cos^2x}{x^2(1+\cos x)}=\lim_{x\to0}\frac{\sin^2x}{x^2(1+\cos x)}인데,여기에서 lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin x}x=1이므로lim⁡x→01−cos⁡xx2=(lim⁡x→0sin⁡xx)2×lim⁡x→011+cos⁡x=12×12=12\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x^2}=\left(\lim_{x\to0}\frac{\sin x}x\right)^2\times\lim_{x\to0}\frac1{1+\cos x}=1^2\times\frac12=\frac12이다.따라서 lim⁡n→∞1−cos⁡πn(πn)2=12\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{1-\cos\frac\pi n}{\left(\frac\pi n\right)^2}=\frac12이므로lim⁡n→∞n2(bn−2an)=2π3×1×12=π3\displaystyle \lim_{n\to\infty}n^2(b_n-2a_n)=2\pi^3\times1\times\frac12=\pi^3이다.

소문항등급채점 기준
(1)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(1)2등급④단계를 서술했으나 계산에서 오류가 있는 경우
(1)3등급③단계를 시도했으나 오류가 있는 경우
(1)4등급②단계까지는 옳게 서술했으나 그 이후 과정이 없는 경우
(1)5등급①단계까지는 옳게 서술했으나 그 이후 과정이 없는 경우
(1)6등급답을 구하는 과정이 없거나 문제 푸는 방향이 틀려 답을 구하지 못한 경우
(1)7등급백지답안
(2)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(2)2등급④단계를 서술했으나 계산에서 오류가 있는 경우
(2)3등급③단계를 시도했으나 오류가 있는 경우
(2)4등급②단계까지는 옳게 서술했으나 그 이후 과정이 없는 경우
(2)5등급①단계까지는 옳게 서술했으나 그 이후 과정이 없는 경우
(2)6등급답을 구하는 과정이 없거나 문제 푸는 방향이 틀려 답을 구하지 못한 경우
(2)7등급백지답안
(3)1등급전 과정이 모두 맞거나, 일부 생략이 있으나 전체 오류가 없고 답도 맞음
(3)2등급④단계를 서술했으나 계산에서 오류가 있는 경우
(3)4등급②단계까지는 옳게 서술했으나 그 이후 과정이 없는 경우
(3)5등급①단계까지는 옳게 서술했으나 그 이후 과정이 없는 경우
(3)6등급답을 구하는 과정이 없거나 문제 푸는 방향이 틀려 답을 구하지 못한 경우
(3)7등급백지답안

※ 각 소문항마다 아래에 제시된 단계에 따라 1~6등급으로 채점한다. (단, 백지답안은 7등급)

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