미적분Ⅱ급수수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

호 이등분점 부채꼴 극한

문제

그림과 같이 길이가 44인 선분 AB\mathrm{AB}가 지름이고 점 O\mathrm{O}가 중심인 반원이 있다. 호 AB\mathrm{\frown} {AB}의 이등분점을 P1\mathrm{P} _{1}, 호 BP1\mathrm{\frown} {BP _{1}}의 이등분점을 P2\mathrm{P} _{2}, 호 P1P2\mathrm{\frown} {P _{1} P _{2}}의 이등분점을 P3\mathrm{P} _{3}이라 하자. 이와 같은 방법으로 계속하여 호 PnPn+1(n=1,2,3,)\frown {\mathrm{P} _{\mathit{n}} \mathrm{P} _{\mathit{n} + 1}} ( \mathit{n} = 1 , 2 , 3 , \cdots )의 이등분점을 Pn+2\mathrm{P} _{\mathit{n} + 2}라 하자. 부채꼴 AOPn\mathrm{AOP} _{\mathit{n}}의 넓이를 SnS _{n}이라 할 때, limnSn\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} S _{n}의 값은? (단, 부채꼴에서 중심각의 이등분선이 호와 만나는 점을 호의 이등분점이라 한다.) [4점]

65π\displaystyle \frac{6}{5} \pi43π\displaystyle \frac{4}{3} \pi75π\displaystyle \frac{7}{5} \pi85π\displaystyle \frac{8}{5} \pi53π\displaystyle \frac{5}{3} \pi

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해설

[출제의도] 규칙을 발견하여 무한급수의 합을 구할수 있는가를 묻는 문항이다. Sn=1222AOPn\displaystyle S _{n} = \frac{1}{2} \cdot 2 ^{2} \cdot \mathrm{\angle} A O P _{\mathit{n}} 이므로 limnSn=2limnAOPn\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} S _{n} = 2 \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \mathrm{\angle} A O P _{\mathit{n}} 한편, AOP1=π2\displaystyle \mathrm{\angle} AOP _{1} = \frac{\pi}{2} , AOP2=π2+π4\displaystyle \mathrm{\angle} AOP _{2} = \frac{\pi}{2} + \frac{\pi}{4} , AOP3=π2+π4π8\displaystyle \mathrm{\angle} AOP _{3} = \frac{\pi}{2} + \frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{8} , AOP4=π2+π4π8+π16\displaystyle \mathrm{\angle} AOP _{4} = \frac{\pi}{2} + \frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{8} + \frac{\pi}{16} , ⋮ ∴limnAOPn=π2+π4π8+π16=π2+π41(12)\displaystyle \mathrm{\lim\limits} _{n \rightarrow \infty} {} \angle AOP _{\mathit{n}} = \frac{\pi}{2} + \frac{\pi}{4} - \frac{\pi}{8} + \frac{\pi}{16} - \cdots = \frac{\pi}{2} + \frac{\frac{\pi}{4}}{1 - \left( - \frac{1}{2} \right)} =π2+π6\displaystyle = \frac{\pi}{2} + \frac{\pi}{6} =2π3\displaystyle = \frac{2 \pi}{3} 따라서, limnSn=2limnAOPn=4π3\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} S _{n} = 2 \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \mathrm{\angle} AOP _{\mathit{n}} = \frac{4 \pi}{3}

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