미적분Ⅱ급수수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

직사각형 등비급수

문제

그림과 같이 A0A1=1\displaystyle {\overline{A _{0} A _{1}}} = 1, A1B1=2\displaystyle {\overline{A _{1} B _{1}}} = 2인 직사각형 A0A1B1C1A _{0} A _{1} B _{1} C _{1}의 꼭짓점 A1A _{1}에서 대각선 A0B1A _{0} B _{1}에 내린 수선의 발을 B2B _{2}라 하고, 점 B2B _{2}에서 두 선분 A0A1A _{0} A _{1}A1B1A _{1} B _{1}에 내린 수선의 발을 각각 C2C _{2}, A2A _{2}라 하자. 직사각형 A1A2B2C2A _{1} A _{2} B _{2} C _{2}의 꼭짓점 A2A _{2}에서 대각선 A1B2A _{1} B _{2}에 내린 수선의 발을 B3B _{3}이라 하고, 점 B3B _{3}에서 두 선분 A1A2A _{1} A _{2}A2B2A _{2} B _{2}에 내린 수선의 발을 각각 C3C _{3}, A3A _{3}이라 하자. 이와 같이 자연수 nn에 대하여 직사각형 An1AnBnCnA _{n - 1} A _{n} B _{n} C _{n}의 꼭짓점 AnA _{n}에서 대각선 An1BnA _{n - 1} B _{n}에 내린 수선의 발을 Bn+1B _{n + 1}이라 하고, 점 Bn+1B _{n + 1}에서 두 선분 An1AnA _{n - 1} A _{n}AnBnA _{n} B _{n}에 내린 수선의 발을 각각 Cn+1C _{n + 1}, An+1A _{n + 1}이라 하자. 삼각형 An1BnCnA _{n - 1} B _{n} C _{n}의 넓이를 SnS _{n}이라 할 때, n=1Sn\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} S _{n}의 값은? [4점]

2221\displaystyle \frac{22}{21}2321\displaystyle \frac{23}{21}87\displaystyle \frac{8}{7}2521\displaystyle \frac{25}{21}2621\displaystyle \frac{26}{21}

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해설

[출제의도] 등비급수를 이용하여 추측하기 삼각형 A0B1C1A _{0} B _{1} C _{1}의 넓이는 1이다. A0B1=5\displaystyle {\overline{A _{0} B _{1}}} = \sqrt{5}이고, 삼각형 A0A1B1A _{0} A _{1} B _{1}의 넓이는 12A0A1×A1B1=12A0B1×A1B2\displaystyle \frac{1}{2} {\overline{A _{0} A _{1}}} \times {\overline{A _{1} B _{1}}} = \frac{1}{2} {\overline{A _{0} B _{1}}} \times {\overline{A _{1} B _{2}}} 이므로 A1B2=255\displaystyle {\overline{A _{1} B _{2}}} = \frac{2 \sqrt{5}}{5} 두 직각삼각형 An1BnCnA _{n - 1} B _{n} C _{n}AnBn+1Cn+1A _{n} B _{n + 1} C _{n + 1}은 서로 닮음이고, 닮음비는 두 대각선 An1Bn\displaystyle {\overline{A _{n - 1} B _{n}}}AnBn+1\displaystyle {\overline{A _{n} B _{n + 1}}}의 길이의 비인 5:25 : 2이므로 두 직각삼각형 An1BnCnA _{n - 1} B _{n} C _{n}AnBn+1Cn+1A _{n} B _{n + 1} C _{n + 1}의 넓이의 비는 52:225 ^{2} : 2 ^{2}이다. 따라서 수열 {Sn}\left\{ S _{n} \right\}은 첫째항이 1이고 공비가 425\displaystyle \frac{4}{25}인 등비수열을 이루므로 Sn=(425)n1\displaystyle S _{n} = \left( \frac{4}{25} \right) ^{n - 1} n=1Sn=11425=2521\displaystyle \sum\limits _{n = 1} ^{\infty} S _{n} = \frac{1}{1 - \frac{4}{25}} = \frac{25}{21}

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