미적분Ⅱ급수수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

정사각형 도형의 등비급수

문제

그림과 같이 한 변의 길이가 55인 정사각형 ABCD\mathrm{ABCD}의 대각선 BD\mathrm{BD}55등분점을 점 B\mathrm{B}에서 가까운 순서대로 각각 P1\mathrm{P} _{1}, P2\mathrm{P} _{2}, P3\mathrm{P} _{3}, P4\mathrm{P} _{4}라 하고, 선분 BP1\mathrm{BP} _{1}, P2P3\mathrm{P} _{2} P _{3}, P4D\mathrm{P} _{4} D를 각각 대각선으로 하는 정사각형과 선분 P1P2\mathrm{P} _{1} P _{2}, P2P3\mathrm{P} _{2} P _{3}를 각각 지름으로 하는 원을 그린 후, 모양의 도형에 색칠하여 얻은 그림을 R1R _{1}이라 하자. 그림 R1R _{1}에서 선분 P2P3\mathrm{P} _{2} P _{3}을 대각선으로 하는 정사각형의 꼭짓점 중 점 A\mathrm{A}와 가장 가까운 점을 Q1\mathrm{Q} _{1}, 점 C\mathrm{C}와 가장 가까운 점을 Q2\mathrm{Q} _{2}라 하자. 선분 AQ1\mathrm{AQ} _{1}을 대각선으로 하는 정사각형과 선분 CQ2\mathrm{CQ} _{2}를 대각선으로 하는 정사각형을 그리고, 새로 그려진 22개의 정사각형 안에 그림 R1R _{1}을 얻는 것과 같은 방법으로 모양의 도형을 각각 그리고 색칠하여 얻은 그림을 R2R _{2}라 하자. 그림 R2R _{2}에서 선분 AQ1\mathrm{AQ} _{1}을 대각선으로 하는 정사각형과 선분 CQ2\mathrm{CQ} _{2}를 대각선으로 하는 정사각형에 그림 R1R _{1}에서 그림 R2R _{2}를 얻는 것과 같은 방법으로 모양의 도형을 각각 그리고 색칠하여 얻은 그림을 R3R _{3}이라 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? [3점]

2417(π+3)\displaystyle \frac{24}{17} ( \pi + 3 )2517(π+3)\displaystyle \frac{25}{17} ( \pi + 3 )2617(π+3)\displaystyle \frac{26}{17} ( \pi + 3 )2417(2π+1)\displaystyle \frac{24}{17} ( 2 \pi + 1 )2717(2π+1)\displaystyle \frac{27}{17} ( 2 \pi + 1 )

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해설

[출제의도] 무한등비급수를 이용하여 반복되는 도형에서 넓이의 합에 대한 극한값을 구할 수 있는가?

BE:EC=3:2\displaystyle {\overline{\mathrm{BE}}} : {\overline{\mathrm{EC}}} = 3 : 2이므로 닮음비는 25\displaystyle \frac{2}{5}이다. 따라서 넓이의 비는 (25)2=425\displaystyle \left( \frac{2}{5} \right) ^{2} = \frac{4}{25}이고 도형의 개수는 22배씩 늘어나므로 무한등비급수의 공비는 425×2=825\displaystyle \frac{4}{25} \times 2 = \frac{8}{25} 또한, 그림 R1R _{1}에서 BD=52\displaystyle {\overline{\mathrm{BD}}} = 5 \sqrt{2}이므로 S1S _{1}=3×1+2(22)2π\displaystyle = 3 \times 1 + 2 \left( \frac{\sqrt{2}}{2} \right) ^{2} \pi =3+π= 3 + \pi limnSn\displaystyle \therefore \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} S _{n}=3+π1825\displaystyle = \frac{3 + \pi}{1 - \frac{8}{25}} =2517(π+3)\displaystyle = \frac{25}{17} \left( \pi + 3 \right)

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