미적분Ⅱ급수수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

부채꼴 도형 등비급수

문제

그림과 같이 한 변의 길이가 66인 정사각형 ABCD\mathrm{ABCD}가 있다. 두 선분 AB\mathrm{AB}, CD\mathrm{CD}의 중점을 각각 M\mathrm{M}, N\mathrm{N}이라 하자. 두 선분 BC\mathrm{BC}, AD\mathrm{AD} 위에 ME=MF=AB\displaystyle {\overline{\mathrm{ME}}} = {\overline{\mathrm{MF}}} = \overline{\mathrm{AB}}가 되도록 각각 점 E\mathrm{E}, F\mathrm{F}를 잡고, 중심이 M\mathrm{M}인 부채꼴 MEF\mathrm{MEF}를 그린다. 두 선분 BC\mathrm{BC}, AD\mathrm{AD} 위에 NG=NH=AB\displaystyle {\overline{\mathrm{NG}}} = {\overline{\mathrm{NH}}} = {\overline{\mathrm{AB}}}가 되도록 각각 점 G\mathrm{G}, H\mathrm{H}를 잡고, 중심이 N\mathrm{N}인 부채꼴 NHG\mathrm{NHG}를 그린다. 두 부채꼴 MEF\mathrm{MEF}, NHG\mathrm{NHG}의 내부에서 공통부분을 제외한 나머지 부분에 와 같이 색칠하여 얻은 그림을 R1R _{1}이라 하자. 그림 R1R _{1}에서 두 부채꼴 MEF\mathrm{MEF}, NHG\mathrm{NHG}의 공통부분인 마름모의 각 변에 꼭짓점이 있고, 네 변이 정사각형 ABCD\mathrm{ABCD}의 네 변과 각각 평행한 정사각형을 그린다. 새로 그려진 정사각형에 그림 R1R _{1}을 얻은 방법과 같은 방법으로 22개의 부채꼴을 각각 그린 다음 22개의 부채꼴의 내부에서 공통부분을 제외한 나머지 부분에 와 같이 색칠하여 얻은 그림을 R2R _{2}라 하자. 이와 같은 과정을 계속하여 nn번째 얻은 그림 RnR _{n}에서 색칠된 부분의 넓이를 SnS _{n}이라 할 때, limnSn\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} S _{n}의 값은? [4점]

A\mathrm{A} B\mathrm{B} C\mathrm{C} D\mathrm{D} M\mathrm{M} E\mathrm{E} F\mathrm{F} N\mathrm{N} G\mathrm{G} H\mathrm{H}
R1R _{1}R2R _{2}
\cdots
R3R _{3}\cdots

83(π3)\displaystyle 8 \sqrt{3} ( \pi - \sqrt{3} )93(π3)\displaystyle 9 \sqrt{3} ( \pi - \sqrt{3} )103(π3)\displaystyle 10 \sqrt{3} ( \pi - \sqrt{3} )113(π3)\displaystyle 11 \sqrt{3} ( \pi - \sqrt{3} )123(π3)\displaystyle 12 \sqrt{3} ( \pi - \sqrt{3} )

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해설

MNMN의 중점을 OO, HNHNFMFM의 교점을 PP, GNGNEMEM의 교점을 QQ라 하면 OM=3,OP=3,MP=23\displaystyle OM = 3 , OP = \sqrt{3} , MP = 2 \sqrt{3}, MPNQ=63\displaystyle \square MPNQ = 6 \sqrt{3} 내접하는 정사각형의 한변=MN3+1=63+1\displaystyle = \frac{MN}{\sqrt{3} + 1} = \frac{6}{\sqrt{3} + 1} \therefore 닮음비=13+1\displaystyle = \frac{1}{\sqrt{3} + 1}, 공비는 (11+3)2\displaystyle \left( \frac{1}{1 + \sqrt{3}} \right) ^{2} S1=2(S _{1} = 2 (부채꼴MFEMFE-MPNQ)\square MPNQ )=12(π3)\displaystyle = 12 ( \pi - \sqrt{3} ) limnS=12(π3)1(11+3)2=83(π3)\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {S _{\infty} = \frac{12 ( \pi - \sqrt{3} )}{1 - \left( \frac{1}{1 + \sqrt{3}} \right) ^{2}}} = 8 \sqrt{3} ( \pi - \sqrt{3} )

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