미적분Ⅱ수열의 극한수능 기출킬러 문제 (22·30번 수준)

탄젠트 교점 수열 극한

문제

함수 y=x10\displaystyle y = \frac{\sqrt{x}}{10}의 그래프와 함수 y=tanxy = \tan x의 그래프가 만나는 모든 점의 xx좌표를 작은 수부터 크기순으로 나열할 때, nn번째 수를 ana _{n}이라 하자. 1π2×limnan3tan2(an+1an)\displaystyle \frac{1}{\pi ^{2}} \times \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {} a _{n} \mathit{^{3}} \tan ^{2} \left( a _{n + 1} - a _{n} \right) 의 값을 구하시오. [4점]

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25

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해설

함수 y=x10\displaystyle y = \frac{\sqrt{x}}{10}와 함수 y=tanxy = \tan x의 그래프가 만나는 점의 xx좌표가 ana _{n}이므로 아래 그림에서처럼

x10=tanx\displaystyle \frac{\sqrt{x}}{10} = \tan x에서 (n2)πx<(n2)π+π2\displaystyle \left( n - 2 \right) \pi \leq x < \left( n - 2 \right) \pi + \frac{\pi}{2}의 근을 x=(n2)π+αnx = \left( n - 2 \right) \pi + \alpha _{n}이라 하자. (\displaystyle \left( \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \end{array} \right.단, 0αn<π2)\displaystyle 0 \leq \alpha _{n} < \frac{\pi}{2} ) a1=α1=0a _{1} = \alpha _{1} = 0, a2=α2a _{2} = \alpha _{2}, a3=π+α3a _{3} = \pi + \alpha _{3}, a4=2π+α4a _{4} = 2 \pi + \alpha _{4}, \cdots an=(n2)π+αna _{n} = \left( n - 2 \right) \pi + \alpha _{n} (\displaystyle \left( \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \end{array} \right.단, 0αn<π2)\displaystyle 0 \leq \alpha _{n} < \frac{\pi}{2} ) 이므로 an+1=(n1)π+αn+1a _{n+1} = \left( n - 1 \right) \pi + \alpha _{n+1} αn<αn+1\alpha _{n} < \alpha _{n+1}이고, limnαn=π2\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\alpha _{n}} = \frac{\pi}{2}이므로 limn(αn+1αn)=0\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\left( \alpha _{n+1} - \alpha _{n} \right)} = 0 이고 limnan+1an\displaystyle \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{a _{n+1}}{a _{n}}}=limn(n1)π+αn+1(n2)π+αn\displaystyle = \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\frac{\left( n - 1 \right) \pi + \alpha _{n+1}}{\left( n - 2 \right) \pi + \alpha _{n}}}=1= 1 이므로 tan(an+1an)\tan \left( a _{n+1} - a _{n} \right)=tanan+1tanan1+an+1an\displaystyle = \frac{\tan a _{n+1} - \tan a _{n}}{1 + a _{n+1} a _{n}} =an+1an101+an+1an100\displaystyle = \frac{\frac{\sqrt{a _{n+1}} - \sqrt{a _{n}}}{10}}{1 + \frac{\sqrt{a _{n+1} a _{n}}}{100}} =10(an+1an)100+an+1an\displaystyle = \frac{10 \left( \sqrt{a _{n+1}} - \sqrt{a _{n}} \right)}{100 + \sqrt{a _{n+1} a _{n}}} =10(an+1an)(100+an+1an)(an+1+an)\displaystyle = \frac{10 \left( a _{n+1} - a _{n} \right)}{\left( 100 + \sqrt{a _{n+1} a _{n}} \right) \left( \sqrt{a _{n+1}} + \sqrt{a _{n}} \right)} =10(π+αn+1αn)(100+an+1an)(an+1+an)\displaystyle = \frac{10 \left( \pi + \alpha _{n+1} - \alpha _{n} \right)}{\left( 100 + \sqrt{a _{n+1} a _{n}} \right) \left( \sqrt{a _{n+1}} + \sqrt{a _{n}} \right)} anan×tan(an+1an)\displaystyle a _{n} \sqrt{a _{n}} \times \tan \left( a _{n+1} - a _{n} \right) =10(π+αn+1αn)(100an+an+1an)(an+1an+1)\displaystyle = \frac{10 \left( \pi + \alpha _{n+1} - \alpha _{n} \right)}{\left( \frac{100}{a _{n}} + \sqrt{\frac{a _{n+1}}{a _{n}}} \right) \left( \sqrt{\frac{a _{n+1}}{a _{n}}} + 1 \right)} 따라서 1π2×limnan3tan2(an+1an)\displaystyle \frac{1}{\pi ^{2}} \times \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {a _{n} ^{3} \tan ^{2} \left( a _{n+1} - a _{n} \right)} =1π2×limn(10(π+αn+1αn)(100an+an+1an)(an+1an+1))2\displaystyle = \frac{1}{\pi ^{2}} \times \lim\limits _{n \rightarrow \infty} {\left( \frac{10 \left( \pi + \alpha _{n+1} - \alpha _{n} \right)}{\left( \frac{100}{a _{n}} + \sqrt{\frac{a _{n+1}}{a _{n}}} \right) \left( \sqrt{\frac{a _{n+1}}{a _{n}}} + 1 \right)} \right) ^{2}} =1π2×(10π(0+1)(1+1))2\displaystyle = \frac{1}{\pi ^{2}} \times \left( \frac{10 \pi}{\left( 0 + 1 \right) \left( 1 + 1 \right)} \right) ^{2} =1π2×25π2\displaystyle = \frac{1}{\pi ^{2}} \times 25 \pi ^{2} =25= 25

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