미적분Ⅱ급수수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

직사각형 속 원 넓이 급수

문제

아래와 같이 가로의 길이가 66이고 세로의 길이가 88인 직사각형 내부에 두 대각선의 교점을 중심으로 하고, 직사각형 가로 길이의 13\displaystyle \frac{1}{3}을 지름으로 하는 원을 그려서 얻은 그림을 R1R _{1}이라 하자. 그림 R1R _{1}에서 직사각형의 각 꼭짓점으로부터 대각선과 원의 교점까지의 선분을 각각 대각선으로 하는 44개의 직사각형을 그린 후, 새로 그려진 직사각형 내부에 두 대각선의 교점을 중심으로 하고, 새로 그려진 직사각형 가로 길이의 13\displaystyle \frac{1}{3}을 지름으로 하는 원을 그려서 얻은 그림을 R2R _{2}라 하자. 그림 R2R _{2}에 있는 합동인 44개의 직사각형 각각에서 각 꼭짓점으로부터 대각선과 원의 교점까지의 선분을 각각 대각선으로 하는 44개의 직사각형을 그린 후, 새로 그려진 직사각형 내부에 두 대각선의 교점을 중심으로 하고, 새로 그려진 직사각형 가로 길이의 13\displaystyle \frac{1}{3}을 지름으로 하는 원을 그려서 얻은 그림을 R3R _{3}이라 하자. 이와 같은 과정을 계속하여 nn번째 얻은 그림 RnR _{n}에 있는 모든 원의 넓이의 합을 SnS _{n}이라 할 때, limnSn\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {S _{n}}의 값은? (단, 모든 직사각형의 가로와 세로는 각각 서로 평행하다.) [4점]

379π\displaystyle \frac{37}{9} \pi349π\displaystyle \frac{34}{9} \pi319π\displaystyle \frac{31}{9} \pi289π\displaystyle \frac{28}{9} \pi259π\displaystyle \frac{25}{9} \pi

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해설

ABnCnDn\square \mathrm{AB} \mathit{_{n}} \mathrm{C} \mathit{_{n}} \mathrm{D} \mathit{_{n}}ABn+1Cn+1Dn+1\square {\mathrm{A} B} _{n+1} {\mathrm{C}} _{n+1} {\mathrm{D}} _{n+1}에서 두 사각형은 닮은 도형이고 대각선의 길이의 비가 10:410 : 4이므로 넓이의 비는 52:225 ^{2} : 2 ^{2}이다. 따라서, limnSn=π+4×(25)2π+42(25)4π+\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} S _{n} = \pi + 4 \times \left( \frac{2}{5} \right) ^{2} \pi + 4 ^{2} \left( \frac{2}{5} \right) ^{4} \pi + \cdots=π11625=259π\displaystyle = \frac{\pi}{1 - \frac{16}{25}} = \frac{25}{9} \pi

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