미적분Ⅱ급수수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

정삼각형 중점 반복 각

문제

아래 그림과 같이 한 변의 길이가 1212인 정삼각형 OAB\mathrm{OAB}에서 AB,OA\displaystyle \mathrm{\overline{AB}} , \mathrm{\overline{OA}}의 중점을 각각 A1,B1\mathrm{A} _{1} , B _{1}이라 한다. 또 A1B1,AA1\displaystyle \mathrm{\overline{A _{1} B _{1}}} , \mathrm{\overline{AA _{1}}}의 중점을 각각 A2,B2\mathrm{A} _{2} , B _{2}라 하고, A2B2,A1A2\displaystyle \mathrm{\overline{A _{2} B _{2}}} , \mathrm{\overline{A _{1} A _{2}}}의 중점을 각각 A3,B3\mathrm{A} _{3} , B _{3}이라 한다. 이와 같이 AnBn,An1An\displaystyle \mathrm{\overline{A _{\mathit{n}} B _{\mathit{n}}}} , \mathrm{\overline{A _{\mathit{n} - 1} A _{\mathit{n}}}}의 중점을 각각 An+1,Bn+1\mathrm{A} _{\mathit{n} + 1} , B _{\mathit{n} \mathrm{+} 1 \mathit{}}로 정하는 과정을 한없이 계속할 때, limntan(AOAn)\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\tan ( \angle \mathrm{AOA} _{n} )}의 값은? [4점]

33\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{3}34\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{4}35\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{5}23\displaystyle \frac{2}{3}35\displaystyle \frac{3}{5}

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해설

An(xn,yn)\mathrm{A} _{n} ( x _{n} , y _{n} )이라 두면 limntan(AOAn)=limnynxn\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \tan \left( \angle AOA _{n} \right) = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \frac{y _{n}}{x _{n}}이므로 아래 그림에서

삼각형의 한 변의 길이를 a=12a = 12라 두면 ⅰ) limnxn\displaystyle \begin{aligned} & \therefore \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} x _{n} \end{aligned} =a12a×cosπ3(12)2a×cosπ3+(12)3×a\displaystyle = a - \frac{1}{2} a \times \cos \frac{\pi}{3} - \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} a \times \cos \frac{\pi}{3} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{3} \times a (12)4a×cosπ3(12)5a×cosπ3+(12)3×a+\displaystyle - \left( \frac{1}{2} \right) ^{4} a \times \cos \frac{\pi}{3} - \left( \frac{1}{2} \right) ^{5} a \times \cos \frac{\pi}{3} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{3} \times a + \cdots =a×{1+(12)3+(12)6+}\displaystyle = a \times \left\{ 1 + \left( \frac{1}{2} \right) ^{3} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{6} + \cdots \right\} (12)a×cosπ3×{1+(12)3+(12)6+}\displaystyle - \left( \frac{1}{2} \right) a \times \cos \frac{\pi}{3} \times \left\{ 1 + \left( \frac{1}{2} \right) ^{3} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{6} + \cdots \right\}(12)2a×cosπ3×{1+(12)3+(12)6+}\displaystyle - \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} a \times \cos \frac{\pi}{3} \times \left\{ 1 + \left( \frac{1}{2} \right) ^{3} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{6} + \cdots \right\} =a×(11418)×{1+(12)3+(12)6+}\displaystyle \begin{aligned} & = a \times \left( 1 - \frac{1}{4} - \frac{1}{8} \right) \times \left\{ 1 + \left( \frac{1}{2} \right) ^{3} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{6} + \cdots \right\} \end{aligned} =a×58×11(12)3=57a\displaystyle = a \times \frac{5}{8} \times \frac{1}{1 - \left( \frac{1}{2} \right) ^{3}} = \frac{5}{7} a ⅱ) limnyn\displaystyle \begin{aligned} & \therefore \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} y _{n} \end{aligned} =0+12a×sinπ3(12)2a×sinπ3+(12)4a×sinπ3\displaystyle = 0 + \frac{1}{2} a \times \sin \frac{\pi}{3} - \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} a \times \sin \frac{\pi}{3} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{4} a \times \sin \frac{\pi}{3}(12)5a×sinπ3+(12)7a×sinπ3+\displaystyle - \left( \frac{1}{2} \right) ^{5} a \times \sin \frac{\pi}{3} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{7} a \times \sin \frac{\pi}{3} + \cdots =a×sinπ3×[{12+(12)4+(12)7+}{(12)2+(12)5+(12)8}]\displaystyle = a \times \sin \frac{\pi}{3} \times \left[ \left\{ \frac{1}{2} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{4} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{7} + \cdots \right\} - \left\{ \left( \frac{1}{2} \right) ^{2} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{5} + \left( \frac{1}{2} \right) ^{8} \cdots \right\} \right] =32a×{121(12)3(12)21(12)3}=37a\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{2} a \times \left\{ \frac{\frac{1}{2}}{1 - \left( \frac{1}{2} \right) ^{3}} - \frac{\left( \frac{1}{2} \right) ^{2}}{1 - \left( \frac{1}{2} \right) ^{3}} \right\} = \frac{\sqrt{3}}{7} a limntan(AOAn)=limnynxn=37a57a=35\displaystyle \therefore \lim\limits _{n \rightarrow \infty} \tan \left( \angle \mathrm{A} OA _{n} \right) = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} \frac{y _{n}}{x _{n}} = \frac{\frac{\sqrt{3}}{7} a}{\frac{5}{7} a} = \frac{\sqrt{3}}{5}

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