미적분Ⅱ급수수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

직사각형과 부채꼴 반복 도형 급수

문제

직사각형 A1B1C1D1A _{1} B _{1} C _{1} D _{1}에서 A1B1=1,A1D1=2\displaystyle \overline{\mathrm{A} _{1} B _{1}} = 1 , \overline{\mathrm{A} _{1} D _{1}} = 2이다. 그림과 같이 선분 A1D1\mathrm{A} _{1} D _{1}과 선분 B1C1\mathrm{B} _{1} C _{1}의 중점을 각각 M1,N1\mathrm{M} _{1} , N _{1}이라 하자. 중심이 N1\mathrm{N} _{1}, 반지름의 길이가 B1N1\displaystyle \overline{\mathrm{B} _{1} N _{1}}이고 중심각의 크기가 π2\displaystyle \frac{\pi}{2}인 부채꼴 N1M1B1N _{1} M _{1} B _{1}을 그리고, 중심이 D1\mathrm{D} _{1}, 반지름의 길이가 C1D1\displaystyle \overline{\mathrm{C} _{1} D _{1}}이고 중심각의 크기가 π2\displaystyle \frac{\pi}{2}인 부채꼴 D1M1C1D _{1} M _{1} C _{1}을 그린다. 부채꼴 N1M1B1N _{1} M _{1} B _{1}의 호 M1B1\mathrm{M} _{1} B _{1}과 선분 M1B1\mathrm{M} _{1} B _{1}로 둘러싸인 부분과 부채꼴 D1M1C1D _{1} M _{1} C _{1}의 호 M1C1\mathrm{M} _{1} C _{1}과 선분 M1C1\mathrm{M} _{1} C _{1}로 둘러싸인 부분인 모양에 색칠하여 얻은 그림을 R1R _{1}이라 하자. 그림 R1R _{1}에 선분 M1B1\mathrm{M} _{1} B _{1} 위의 점 A2\mathrm{A} _{2}, 호M1C1\mathrm{M} _{1} C _{1} 위의 점 D2\mathrm{D} _{2}와 변B1C1\mathrm{B} _{1} C _{1} 위의 두 점 B2,C2\mathrm{B} _{2} , C _{2}를 꼭짓점으로 하고 A2B2:A2D2=1:2\displaystyle \overline{\mathrm{A} _{2} B _{2}} : \overline{\mathrm{A} _{2} D _{2}} = 1 : 2인 직사각형 A2B2C2D2\mathrm{A} _{2} B _{2} C _{2} D _{2}를 그리고, 직사각형 A2B2C2D2\mathrm{A} _{2} B _{2} C _{2} D _{2}에서 그림 R1R _{1}을 얻은 것과 같은 방법으로 만들어지는 모양에 색칠하여 얻은 그림을 R2R _{2}라 하자. 이와 같은 과정을 계속하여 nn번째 얻은 그림 RnR _{n}에 색칠되어 있는 부분의 넓이를 SnS _{n}라 할 때, limnSn\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {S _{n}}의 값은? [4점]

2519(π21)\displaystyle \frac{25}{19} ( \frac{\pi}{2} - 1 )54(π21)\displaystyle \frac{5}{4} ( \frac{\pi}{2} - 1 )2521(π21)\displaystyle \frac{25}{21} ( \frac{\pi}{2} - 1 )2522(π21)\displaystyle \frac{25}{22} ( \frac{\pi}{2} - 1 )2523(π21)\displaystyle \frac{25}{23} ( \frac{\pi}{2} - 1 )

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해설

[출제의도] 반복되는 도형에서 규칙을 찾아 넓이의 극한값을 구할 수 있는가? 무한등비급수 S=a1r\displaystyle S = \frac{a}{1 - r}를 구한다.

R1R _{1}의 넓이 a=(π412)×2=π21\displaystyle a = \left( \frac{\pi}{4} - \frac{1}{2} \right) \times 2 = \frac{\pi}{2} - 1 공비 rr를 구하기 위해 먼저 길이의 닮음비 C2D2C1D1\displaystyle \frac{\overline{C _{2} D _{2}}}{\overline{C _{1} D _{1}}}를 구한다. C2D2=x\displaystyle \overline{C _{2} D _{2}} = \mathit{x}라 두면 D2\mathrm{D} _{2}에서 A1D1\displaystyle \overline{A _{1} D _{1}}에서 내린 수선의 발을 H\mathrm{H}라 하자. B1M1\displaystyle \overline{B _{1} M _{1}}B1C1\displaystyle \overline{B _{1} C _{1}}이 이루는 각이 4545 ^\circ이므로 B1B2=A2B2=x\displaystyle \overline{B _{1} B _{2}} = \overline{A _{2} B _{2}} = \mathit{x}, B2C2=2x\displaystyle \overline{B _{2} C _{2}} = \mathit{2} x, HD1=23x\displaystyle \overline{HD _{1}} = \mathit{2} - 3 x, HD2=1x\displaystyle \overline{HD} _{2} = \mathit{1} - x가 되고 HD12+HD22=D1D22=1\displaystyle {\overline{HD} _{1}} ^{2} + {\overline{HD} _{2}} ^{2} = {\overline{D _{1} D _{2}}} ^{2} = 1에서 (23x)2+(1x)2=1( 2 - 3 x ) ^{2} + ( 1 - x ) ^{2} = 1 5x27x+2=05 x ^{2} - 7 x + 2 = 0 (5x2)(x1)=0( 5 x - 2 ) ( x - 1 ) = 0 \therefore x=25,1\displaystyle x = \frac{2}{5} , 1 x1x \ne 1이므로 x=25\displaystyle x = \frac{2}{5} 따라서, 넓이의 비는 425\displaystyle \frac{4}{25}이고, 이것이 공비가 된다. S=π211425=2521(π21)\displaystyle \therefore S = \frac{\frac{\pi}{2} - 1}{1 - \frac{4}{25}} = \frac{25}{21} \left( \frac{\pi}{2} - 1 \right)

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