미적분Ⅱ급수수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

반원과 직각이등변삼각형 급수

문제

그림과 같이 지름의 길이가 11, 12\displaystyle \frac{1}{2}, 122\displaystyle \frac{1}{2 ^{2}}, \cdots 인 등비수열을 이루는 반원의 내부에 지름을 빗변으로 하는 직각이등변삼각형을 그리고, 반원의 내부와 직각이등변삼각형의 외부의 공통부분(색칠한 부분)을 차례로 T1\mathrm{T} _{1}, T2\mathrm{T} _{2}, T3\mathrm{T} _{3}, \cdots 이라 하자.

12\displaystyle \frac{1}{2} 122\displaystyle \frac{1}{2 ^{2}}

Tn\mathrm{T} _{\mathit{n}}의 넓이를 SnS _{n}(n=1( n = 1, 22, 33, \cdots)이라 할 때, n=1(3n1Sn)\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left( 3 ^{n - 1} \cdot S _{n} \right)의 값은? [3점] π32\displaystyle \frac{\pi - 3}{2}π22\displaystyle \frac{\pi - 2}{2}π12\displaystyle \frac{\pi - 1}{2}π2\displaystyle \frac{\pi}{2}π\pi

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해설

[출제의도] 도형을 이용한 무한등비급수 추론하기 S1=π28\displaystyle S _{1} = \frac{\pi - 2}{8} S2=14π28\displaystyle S _{2} = \frac{1}{4} \cdot \frac{\pi - 2}{8} S3=(14)2π28\displaystyle S _{3} = \left( \frac{1}{4} \right) ^{2} \cdot \frac{\pi - 2}{8} \vdots Sn=(14)n1π28\displaystyle S _{n} = \left( \frac{1}{4} \right) ^{n - 1} \cdot \frac{\pi - 2}{8}이므로 n=1(3n1Sn)=n=1(34)n1π28\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left( 3 ^{n - 1} \cdot S _{n} \right) = \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} \left( \frac{3}{4} \right) ^{n - 1} \cdot \frac{\pi - 2}{8} =π28134=π22\displaystyle = \frac{\frac{\pi - 2}{8}}{1 - \frac{3}{4}} = \frac{\pi - 2}{2}

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