미적분Ⅱ수열의 극한수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

정삼각형 이동 거리

문제

한 변의 길이가 11인 정삼각형 ABC\mathrm{ABC}가 있다. 변 BC\mathrm{BC}위에 양 끝점이 아닌 한 점 P0\mathrm{P} _{0}을 잡는다. 그림과 같이 P0\mathrm{P} _{0}을 지나고 변 AB\mathrm{AB}와 평행한 직선을 그어 변 AC\mathrm{AC}와 만나는 점을 P1\mathrm{P} _{1}, 점 P1\mathrm{P} _{1}을 지나고 변 BC\mathrm{BC}와 평행한 직선을 그어 변 AB\mathrm{AB}와 만나는 점을 P2\mathrm{P} _{2}, 점 P2\mathrm{P} _{2}를 지나고 변 AC\mathrm{AC}와 평행한 직선을 그어 변 BC\mathrm{BC}와 만나는 점을 P3\mathrm{P} _{3}이라 하자. 이와 같은 과정을 계속하여 nn번째 얻은 점을 Pn\mathrm{P} _{\mathit{n}}이라 하고, 점 P0\mathrm{P} _{0}을 출발하여 점 Pn\mathrm{P} _{\mathit{n}}까지 이동한 거리 lnl _{n}ln=P0P1+P1P2+P2P3++Pn1Pn\displaystyle l _{n} = \overline{\mathrm{P} _{0} P _{1}} + \overline{\mathrm{P} _{1} P _{2}} + \overline{\mathrm{P} _{2} P _{3}} + \cdots + \overline{\mathrm{P} _{\mathit{n} - 1} P _{\mathit{n}}} (n=1,2,3,n = 1 , 2 , 3 , \cdots) 이라 하자. limnl2n2n+1=ba\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \frac{l _{2 n}}{2 n + 1} = \frac{b}{a}일 때, a+ba + b의 값을 구하시오. (단, aa, bb는 서로소인 자연수이다.) [4점]

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해설

[출제의도] 극한의 성질을 이용하여 도형에 응용된 극한 문제를 해결한다. 선분 CP0\mathrm{CP} _{0}의 길이를 aa(0<a<10 < a < 1)이라 하면 P0P1=P2P3\displaystyle \mathrm{\overline{P _{0} P _{1}}} = \overline{P _{2} P _{3}}=P4P5\displaystyle \mathrm{=} \overline{P _{4} P _{5}}== \cdots=a= a P1P2=P3P4\displaystyle \mathrm{\overline{P _{1} P _{2}}} = \overline{P _{3} P _{4}}=P5P6\displaystyle \mathrm{=} \overline{P _{5} P _{6}}== \cdots=1a= 1 - a 이므로 l2n=nl _{2 n} = n이다. limnl2n2n+1=limnn2n+1\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \frac{l _{2 n}}{2 n + 1} = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} \frac{n}{2 n + 1}=12\displaystyle = \frac{1}{2}a+b=3a + b = 3

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