수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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(a) 정 n\displaystyle n각형의 외접원의 반지름의 길이를 x\displaystyle x라 하면 코사인 법칙에 의해22=x2+x22x2cos2πn,x2=21cos2πn\displaystyle 2^2=x^2+x^2-2x^2\cos\frac{2\pi}n,\quad x^2=\frac2{1-\cos\frac{2\pi}n}이므로 Sn=n12x2sin(2πn)=n221cos2πnsin(2πn)=nsin(2πn)1cos2πn\displaystyle S_n=n\cdot\frac12x^2\sin\left(\frac{2\pi}n\right)=\frac n2\cdot\frac2{1-\cos\frac{2\pi}n}\cdot\sin\left(\frac{2\pi}n\right)=n\frac{\sin\left(\frac{2\pi}n\right)}{1-\cos\frac{2\pi}n}이다.

+30점

sin2πn=2sinπncosπn, 1cos2πn=2sin2πn\displaystyle \sin\frac{2\pi}n=2\sin\frac\pi n\cos\frac\pi n,\ 1-\cos\frac{2\pi}n=2\sin^2\frac\pi n이므로 limnSnn2=limn1ncosπnsinπn=1π\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{S_n}{n^2}=\lim_{n\to\infty}\frac1n\frac{\cos\frac\pi n}{\sin\frac\pi n}=\frac1\pi이다.

+30점

(b) 외접하는 원뿔의 높이를 h(h>2),\displaystyle h ( h > 2 ) , 밑면의 반지름의 길이를 r\displaystyle r, 빗변의 길이를 x+r\displaystyle x + r이라 하면 원뿔의 부피는 13πr2h\displaystyle \frac{1}{3} \pi r^{2} h이고, x1=hr,x2=(h1)212=h(h2)\displaystyle \frac{x}{1} = \frac{h}{r} , x^{2} = ( h - 1 )^{2} - 1^{2} = h ( h - 2 )이므로

r2=h2x2=h2h(h2)=hh2\displaystyle r^2=\frac{h^2}{x^2}=\frac{h^2}{h(h-2)}=\frac h{h-2}이고 13πr2h=π3h2h2\displaystyle \frac13\pi r^2h=\frac\pi3\frac{h^2}{h-2}이다.

+20점

h2h2=(h2)+4h2+42(h2)4h2+4=8\displaystyle \frac{h^2}{h-2}=(h-2)+\frac4{h-2}+4\ge2\sqrt{(h-2)\cdot\frac4{h-2}}+4=8이고 등호는 h=4\displaystyle h=4일 때 성립하므로 구하는 값은 8π3\displaystyle \frac{8\pi}3이다.

반지름 1인 구에 외접하는 원뿔과 높이 h, 밑면 반지름 r을 표시한 단면

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