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

접하는 원의 반지름 극한

문제

자연수 nn에 대하여 함수 f(x)f \left( x \right)f(x)=4n3x3+1\displaystyle f \left( x \right) = \frac{4}{n ^{3}} x ^{3} + 1 이라 하자. 원점에서 곡선 y=f(x)y = f \left( x \right)에 그은 접선을 lnl _{n}, 접선 lnl _{n}의 접점을 Pn{\mathrm{P}} \mathit{_{n}}이라 하자. xx축과 직선 lnl _{n}에 동시에 접하고 점 Pn{\mathrm{P}} \mathit{_{n}}을 지나는 원 중 중심의 xx좌표가 양수인 것을 CnC _{n}이라 하자. 원 CnC _{n}의 반지름의 길이를 rnr _{n}이라 할 때, 40×limnn2(4rn3)\displaystyle 40 \times \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} n ^{2} \left( 4 r _{n} - 3 \right)의 값을 구하시오. [4점]

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270

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해설

양의 실수 tt에 대하여 점 Pn(t,f(t))\mathrm{P} \mathit{_{n}} \left( t , f \left( t \right) \right)라 하면 f(t)=f(t)t\displaystyle f' \left( t \right) = \frac{f \left( t \right)}{t}, 12t3n3=4t3n3+1\displaystyle \frac{12 t ^{3}}{n ^{3}} = \frac{4 t ^{3}}{n ^{3}} + 1, t3=n38\displaystyle t ^{3} = \frac{n ^{3}}{8}, t=n2\displaystyle t = \frac{n}{2} Pn(n2,32)\displaystyle \mathrm{P} \mathit{_{n}} \left( \frac{n}{2} , \frac{3}{2} \right)이므로 직선 lnl _{n}의 방정식은 y=3nx\displaystyle y = \frac{3}{n} xCnC _{n}의 중심을 C{\mathrm{C}}라 하고 두 점 Pn\mathrm{P} \mathit{_{n}}, C{\mathrm{C}}에서 xx축에 내린 수선의 발을 각각 Qn\mathrm{Q} \mathit{_{n}}, Rn\mathrm{R} \mathit{_{n}}이라 하자. 점 C{\mathrm{C}}에서 선분 PnQn\mathrm{P} \mathit{_{n}} \mathrm{Q} \mathit{_{n}}에 내린 수선의 발을 Hn{\mathrm{H}} \mathit{_{n}}이라 하자. CPnO=OQnPn=π2\displaystyle \angle \mathrm{CP} \mathit{_{n}} \mathrm{O} \mathit{=} \angle \mathrm{OQ} \mathit{_{n}} \mathrm{P} \mathit{_{n}} = \frac{\pi}{2}이므로 PnOQn=CPnHn\angle \mathrm{P} \mathit{_{n}} \mathrm{OQ} \mathit{_{n}} = \angle \mathrm{CP} \mathit{_{n}} \mathrm{H} \mathit{_{n}}

OPn=(n2)2+(32)2=n2+92\displaystyle {\overline{\mathrm{OP} \mathit{_{n}}}} = \sqrt{\left( \frac{n}{2} \right) ^{2} + \left( \frac{3}{2} \right) ^{2}} = \frac{\sqrt{n ^{2} + 9}}{2}이고, PnOQn=θ\angle \mathrm{P} \mathit{_{n}} \mathrm{OQ} \mathit{_{n}} = \theta라 하면 cosθ=OQnOPn=nn2+9\displaystyle \cos \theta = \frac{{\overline{\mathrm{OQ} \mathit{_{n}}}}}{{\overline{\mathrm{OP} \mathit{_{n}}}}} = \frac{n}{\sqrt{n ^{2} + 9}} PnC=CRn=HnQn=rn\displaystyle {\overline{\mathrm{P} \mathit{_{n}} \mathrm{C}}} = {\overline{\mathrm{CR} \mathit{_{n}}}} = {\overline{\mathrm{H} \mathit{_{n}} \mathrm{Q} \mathit{_{n}}}} = r _{n}, PnQn=32\displaystyle {\overline{\mathrm{P} \mathit{_{n}} \mathrm{Q} \mathit{_{n}}}} = \frac{3}{2}이므로 PnQn=PnHn+HnQn=rn×cosθ+rn=32\displaystyle {\overline{\mathrm{P} \mathit{_{n}} \mathrm{Q} \mathit{_{n}}}} = {\overline{\mathrm{P} \mathit{_{n}} \mathrm{H} \mathit{_{n}}}} + {\overline{\mathrm{H} \mathit{_{n}} \mathrm{Q} \mathit{_{n}}}} = r _{n} \times \cos \theta + r _{n} = \frac{3}{2} rnr _{n}=32(1+cosθ)\displaystyle = \frac{3}{2 \left( 1 + \cos \theta \right)}=3n2+92(n2+9+n)\displaystyle = \frac{3 \sqrt{n ^{2} + 9}}{2 \left( \sqrt{n ^{2} + 9} + n \right)} limnn2(4rn3)\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} n ^{2} \left( 4 r _{n} - 3 \right)=limnn2×(6n2+9n2+9+n3)\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} n ^{2} \times \left( \frac{6 \sqrt{n ^{2} + 9}}{\sqrt{n ^{2} + 9} + n} - 3 \right) =limnn2(3n2+93nn2+9+n)\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} n ^{2} \left( \frac{3 \sqrt{n ^{2} + 9} - 3 n}{\sqrt{n ^{2} + 9} + n} \right) =limn3n2{9(n2+9+n)2}\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} 3 n ^{2} \left\{ \frac{9}{\left( \sqrt{n ^{2} + 9} + n \right) ^{2}} \right\} =limn27(1+9n2+1)2=274\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} \frac{27}{\left( \sqrt{1 + \frac{9}{n ^{2}}} + 1 \right) ^{2}} = \frac{27}{4} 이므로 40×limnn2(4rn3)=270\displaystyle 40 \times \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} n ^{2} \left( 4 r _{n} - 3 \right) = 270

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