미적분Ⅱ급수수능 기출기본 문제 (3점 중반)

직각삼각형 사각형 급수

문제

A=60\angle \mathrm{A} = 60 ^\circ, B1=30\angle \mathrm{B} _{1} = 30 ^\circ, AC1=6\displaystyle \overline{\mathrm{AC} _{1}} = 6인 직각삼각형 AB1C1\mathrm{AB} _{1} C _{1}이 있다. 선분 B1C1\mathrm{B} _{1} C _{1}2:12 : 1로 내분하는 점을 P1\mathrm{P} _{1}이라 하자.두 선분 AB1\mathrm{AB} _{1}, AC1\mathrm{AC} _{1}의 중점을 각각 B2\mathrm{B} _{2}, C2\mathrm{C} _{2}라 하고, 선분 B2C2\mathrm{B} _{2} C _{2}2:12 : 1로 내분하는 점을 P2\mathrm{P} _{2}라 할 때, 네 점 B2\mathrm{B} _{2}, P1\mathrm{P} _{1}, C1\mathrm{C} _{1}, P2\mathrm{P} _{2}를 꼭짓점으로 하는 사각형 B2P1C1P2\mathrm{B} _{\mathit{2}} P _{1} C _{1} P _{2}를 만든다. 두 선분 AB2\mathrm{AB} _{2}, AC2\mathrm{AC} _{2}의 중점을 각각 B3\mathrm{B} _{3}, C3\mathrm{C} _{3}이라 하고, 선분 B3C3\mathrm{B} _{3} C _{3}2:12 : 1로 내분하는 점을 P3\mathrm{P} _{3}이라 할 때, 네 점 B3\mathrm{B} _{3}, P2\mathrm{P} _{2}, C2\mathrm{C} _{2}, P3\mathrm{P} _{3}을 꼭짓점으로 하는 사각형 B3P2C2P3\mathrm{B} _{\mathit{3}} \mathrm{P} _{2} C _{2} P _{3}을 만든다. 두 선분 AB3\mathrm{AB} _{3}, AC3\mathrm{AC} _{3}의 중점을 각각 B4\mathrm{B} _{4}, C4\mathrm{C} _{4}라 하고, 선분 B4C4\mathrm{B} _{4} C _{4}2:12 : 1로 내분하는 점을 P4\mathrm{P} _{4}라 할 때, 네 점 B4\mathrm{B} _{4}, P3\mathrm{P} _{3}, C3\mathrm{C} _{3}, P4\mathrm{P} _{4}를 꼭짓점으로 하는 사각형 B4P3C3P4\mathrm{B} _{\mathit{4}} \mathrm{P} _{3} C _{3} P _{4}를 만든다. 이와 같은 과정을 계속할 때, 사각형 Bn+1PnCnPn+1\mathrm{B} _{\mathit{n} + 1} P _{\mathit{n}} C _{\mathit{n}} P _{\mathit{n} + 1}의 넓이를 SnS _{n} (n=1,2,3,)( n = 1 , 2 , 3 , \cdot \cdot \cdot ) 이라 하자. n=1Sn\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} S _{n}의 값은? [3점]

83\displaystyle 8 \sqrt{3}73\displaystyle 7 \sqrt{3}63\displaystyle 6 \sqrt{3}53\displaystyle 5 \sqrt{3}43\displaystyle 4 \sqrt{3}

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해설

[출제의도] 무한급수를 활용하여 도형의 넓이의 합을 구할 수 있는가를 묻는 문제이다. 사각형 B2P1C1P2\mathrm{B} _{2} P _{1} C _{1} P _{2}에서 P1C1=13B1C1=23\displaystyle \overline{\mathrm{P} _{1} C _{1}} = \frac{1}{3} \overline{\mathrm{B} _{1} C _{1}} = 2 \sqrt{3} C1C2=12AC1=3\displaystyle \overline{\mathrm{C} _{1} C _{2}} = \frac{1}{2} \overline{\mathrm{AC} _{1}} = 3이므로 S1=P1C1C1C2=63\displaystyle S _{1} = \overline{\mathrm{P} _{1} C _{1}} \cdot \overline{\mathrm{C} _{1} C _{2}} = 6 \sqrt{3} 모든 자연수 nn에 대하여 Pn+1Cn+1=12PnCn\displaystyle \overline{\mathrm{P} _{\mathit{n} + 1} C _{\mathit{n} + 1}} = \frac{1}{2} \overline{\mathrm{P} _{\mathit{n}} C _{\mathit{n}}}이므로 Sn+1=14Sn\displaystyle S _{\mathit{n} + 1} = \frac{1}{4} S _{\mathit{n}}n=1Sn=63114=83\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} S _{n} = \frac{6 \sqrt{3}}{1 - \frac{1}{4}} = 8 \sqrt{3}

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