대수등차수열과 등비수열수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

동경 길이 규칙

문제

좌표평면 위의 원점 O\mathrm{O}와 점 P1(1,0)\mathrm{P} _{1} ( 1 , 0 )이 있다. 모든 자연수 nn에 대하여 점 Pn(xn,yn)\mathrm{P} _{\mathit{n}} \mathit{\left( x _{n} , y _{n} \right)}은 다음 조건을 만족시킨다.

(가) 동경 OPn\mathrm{OP} _{\mathit{n}}이 나타내는 각의 크기는 n13π\displaystyle \frac{n - 1}{3} \pi이다. (나) OPn+1={12OPn(yn>0)OPn(yn=0)43OPn(yn<0)\displaystyle \overline{{\mathrm{OP}} _{n + 1}} = \begin{cases} & \frac{1}{2} \overline{{\mathrm{OP}} _{n}} & ( y _{n} > 0 ) \\ & \overline{{\mathrm{OP}} _{n}} & ( y _{n} = 0 ) \\ & \frac{4}{3} \overline{{\mathrm{OP}} _{n}} & ( y _{n} < 0 ) \end{cases}

OP50\displaystyle \overline{{\mathrm{OP}} _{50}}의 값은? [4점] (23)8\displaystyle \left( \frac{2}{3} \right) ^{8}(23)16\displaystyle \left( \frac{2}{3} \right) ^{16}12(43)7\displaystyle \frac{1}{2} \left( \frac{4}{3} \right) ^{7}13(23)14\displaystyle \frac{1}{3} \left( \frac{2}{3} \right) ^{14}14(43)8\displaystyle \frac{1}{4} \left( \frac{4}{3} \right) ^{8}

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해설

an=OPn\displaystyle a _{n} = \mathrm{\overline{OP}} _{\mathit{n}}이라 하자. yn=ansinn13π\displaystyle y _{n} = a _{n} \sin \frac{n - 1}{3} \pi에서 y1=0y _{1} = 0, y2>0y _{2} > 0, y3>0y _{3} > 0, y4=0y _{4} = 0, y5<0y _{5} < 0, y6<0y _{6} < 0, y7=0y _{7} = 0, \cdots 으로 yny _{n}의 부호가 주기적으로 바뀐다. 따라서 수열 {an}\left\{ a _{n} \right\}의 첫째항부터 몇 개의 항을 구하면

a1=1a _{1} = 1a2=1a _{2} = 1a3=12\displaystyle a _{3} = \frac{1}{2}
a4=(12)2\displaystyle a _{4} = \left( \frac{1}{2} \right) ^{2}a5=(12)2\displaystyle a _{5} = \left( \frac{1}{2} \right) ^{2}a6=(12)2(43)\displaystyle a _{6} = \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} \left( \frac{4}{3} \right)
a7=(12)2(43)2\displaystyle a _{7} = \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} \left( \frac{4}{3} \right) ^{2}a8=(12)2(43)2\displaystyle a _{8} = \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} \left( \frac{4}{3} \right) ^{2} ...

으로 동경 OP1{\mathrm{OP}} _{1}에서 동경 OP7{\mathrm{OP}} _{7}까지 동경이 2π2 \pi만큼 회전하면 a7a _{7}a1a _{1}(12)2(43)2\displaystyle \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} \left( \frac{4}{3} \right) ^{2}배이다. 즉, 2π2 \pi만큼씩 회전할 때마다 그 이전 길이의 (12)2(43)2\displaystyle \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} \left( \frac{4}{3} \right) ^{2}=(23)2\displaystyle = \left( \frac{2}{3} \right) ^{2}배가 된다. an+6=(23)2an\displaystyle a _{n+6} = \left( \frac{2}{3} \right) ^{2} a _{n}인 관계가 성립하므로 a50=(23)2a44==(23)16a2=(23)16\displaystyle a _{50} = \left( \frac{2}{3} \right) ^{2} a _{44} = \cdots = \left( \frac{2}{3} \right) ^{16} a _{2} = \left( \frac{2}{3} \right) ^{16}

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