미적분Ⅱ급수수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

등비급수와 도형

문제

그림과 같이 AB1=2\displaystyle \mathrm{\overline{AB}} _{1} = 2, AD1=4\displaystyle \mathrm{\overline{AD}} _{1} = 4인 직사각형 AB1C1D1\mathrm{A} B _{1} C _{1} D _{1}이 있다. 선분 AD1\mathrm{AD} _{1}3:13 : 1로 내분하는 점을 E1\mathrm{E} _{1}이라 하고, 직사각형 AB1C1D1\mathrm{A} B _{1} C _{1} D _{1}의 내부에 점 F1\mathrm{F} _{1}을 F1E1=F1C1\displaystyle \mathrm{\overline{F _{1} E _{1}}} = \overline{F _{1} C _{1}}, E1F1C1=π2\displaystyle \mathrm{\angle} E _{1} F _{1} C _{1} = \frac{\pi}{2}가 되도록 잡고 삼각형 E1F1C1\mathrm{E} _{1} F _{1} C _{1}을 그린다. 사각형 E1F1C1D1\mathrm{E} _{1} F _{1} C _{1} D _{1}을 색칠하여 얻은 그림을 R1R _{1}이라 하자. 그림 R1R _{1}에서 선분 AB1\mathrm{AB} _{1}위의 점 B2\mathrm{B} _{2}, 선분 E1F1\mathrm{E} _{1} F _{1} 위의 점 C2\mathrm{C} _{2}, 선분 AE1\mathrm{AE} _{1} 위의 점 D2\mathrm{D} _{2}와 점 A\mathrm{A}를 꼭짓점으로 하고 AB2:AD2=1:2\displaystyle \mathrm{\overline{AB}} _{2} : \overline{AD} _{2} = 1 : 2인 직사각형 AB2C2D2\mathrm{AB} _{2} C _{2} D _{2}를 그린다. 그림 R1R _{1}을 얻은 것과 같은 방법으로 직사각형 AB2C2D2\mathrm{A} B _{2} C _{2} D _{2}에 삼각형 E2F2C2\mathrm{E} _{2} F _{2} C _{2}를 그리고 사각형 E2F2C2D2\mathrm{E} _{2} F _{2} C _{2} D _{2}를 색칠하여 얻은 그림을 R2R _{2}라 하자. 이와 같은 과정을 계속하여 nn번째 얻은 그림 RnR _{n}에 색칠되어 있는 부분의 넓이를 SnS _{n}이라 할 때, limnSn\displaystyle \lim\limits _{n\rightarrow \infty} S _{n}의 값은? [4점]

441103\displaystyle \frac{441}{103}441109\displaystyle \frac{441}{109}441115\displaystyle \frac{441}{115}441121\displaystyle \frac{441}{121}441127\displaystyle \frac{441}{127}

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해설

사각형 E1F1C1D1\mathrm{E} _{1} F _{1} C _{1} D _{1}의 넓이는 삼각형 C1D1E1\mathrm{C} _{1} D _{1} E _{1}의 넓이와 직각이등변삼각형 C1E1F1\mathrm{C} _{1} E _{1} F _{1}의 넓이의 합과 같으므로 1+54=94\displaystyle 1 + \frac{5}{4} = \frac{9}{4} 그림에서 E1D1=1\displaystyle \mathrm{\overline{E _{1} D _{1}}} = 1, C1D1=2\displaystyle \mathrm{\overline{C _{1} D _{1}}} = 2 이므로 tanθ=2\tan \theta = 2 삼각형 E1F1C1\mathrm{E} _{1} F _{1} C _{1}은 직각이등변삼각형이므로 C1E1F1=π4\displaystyle \mathrm{\angle} C _{1} E _{1} F _{1} = \frac{\pi}{4} tan(θ+π4)=2+1121=3\displaystyle \tan \left( \theta + \frac{\pi}{4} \right) = \frac{2 + 1}{1 - 2 \cdot 1} = - 3이므로 tanα=3\tan \alpha = 3이고 C2D2=x\displaystyle {\mathrm{\overline{C _{2} D _{2}}}} = x라 하면 D2E1=x3\displaystyle {\mathrm{\overline{D _{2} E _{1}}}} = \frac{x}{3} AD1=2x+x3+1=4\displaystyle {\mathrm{\overline{AD}} _{1}} = 2 x + \frac{x}{3} + 1 = 4 이므로 x=97\displaystyle x = \frac{9}{7} 따라서 사각형 E1F1C1D1\mathrm{E} _{1} F _{1} C _{1} D _{1}과 사각형 E2F2C2D2\mathrm{E} _{2} F _{2} C _{2} D _{2}의 닮음비는 2:97=1:914\displaystyle 2 : \frac{9}{7} = 1 : \frac{9}{14}이고 넓이의 비는 1:81196\displaystyle 1 : \frac{81}{196} limnSn\displaystyle \lim\limits _{n\rightarrow \infty} S _{n}은 첫째항 72\displaystyle \frac{7}{2}이고 공비가 81196\displaystyle \frac{81}{196}인 등비급수이므로 94181196=441115\displaystyle \frac{\frac{9}{4}}{1 - \frac{81}{196}} = \frac{441}{115}

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