Soluzione Quesito 7 Maturità 2015 18 giu 2015

soluzione quesito maturita seconda prova matematica

Esame di Maturità 2015: la soluzione del quesito 7 della seconda prova di matematica.

Difficoltà: Media/Alta

Argomenti che devi sapere per risolverlo:

Testo del quesito 7:

Detta \( A(n) \) l’area del poligono regolare di \( n \) lati inscritto in un cerchio \( C \) di raggio \( r \), verificare che \( A(n)=\frac{n}{2}r^2sen\frac{2\pi}{2} \) e calcolarne il limite per \( n\to\infty \).

Soluzione del quesito 7:

Un poligono regolare di \( n \) lati è composto da \( n \) triangoli isosceli congruenti. L’area di un poligono regolare di \( n \) lati sarà quindi \( n \) volte l’area di un triangolo isoscele.

Ogni triangolo isoscele ha

come base il lato \( L \) del poligono
come altezza l’apotema \( a \) del poligono
come lati obliqui il raggio \( r \) della circonferenza circoscritta al poligono regolare
l’angolo al vertice uguale a \( \frac{2\pi}{n} \).

Un triangolo isoscele è formato da due triangoli rettangoli congruenti, allora l’area di un triangolo isoscele è uguale a due volte l’area del triangolo rettangolo con base uguale a \( \frac{L}{2} \), altezza l’apotema \( a \), ipotenusa il raggio \( r \) e l’angolo opposto alla base misura \( \frac{\pi}{n} \).

L’area del poligono regolare è quindi \( A(n)=n\cdot 2\left( \frac{\frac{L}{2}\cdot a}{2}\right)=n\left( \frac{L}{2}\cdot a\right) \)

Ora troviamo \( a \) e \( \frac{L}{2} \) in funzioni del raggio \( r \) usando i teoremi dei triangoli rettangoli di trigonometria:

\( a=r\,cos\frac{\pi}{n} \\ \frac{L}{2}=r\,sen\frac{\pi}{n}\)

Sostituiamo nella formula dell’area:

\( A(n)=n\left( r\,sen\frac{\pi}{n}\cdot r\,cos\frac{\pi}{n}\right)=n\cdot r^2\,sen\frac{\pi}{n}\,cos\frac{\pi}{n} \)

Per la formula di duplicazione del seno sappiamo che \( sen\,2x=2sen\,x\,cos\,x \)

Allora \( sen\frac{\pi}{n}\,cos\frac{\pi}{n}=\frac{1}{2}sen\frac{2\pi}{n} \) e quindi l’area del poligono regolare è \( A(n)=\frac{n}{2}\cdot r^2\,sen\frac{2\pi}{n} \)

Calcoliamo ora il limite \( \lim\limits_{n\to\infty}\frac{n}{2}\cdot r^2\,sen\frac{2\pi}{n}=\left[ 0\cdot \infty\right] \) forma indeterminata!

Facciamo la sostituzione \( n=\frac{1}{t} \longrightarrow t=\frac{1}{n}\) quindi ora dobbiamo calcolare il limite per \( t\to 0 \) cioè

\( \lim\limits_{t\to 0}\frac{r^2}{2t}\,sen\,2\pi t \)

Moltiplichiamo sopra e sotto per \( \pi \) così otteniamo \( \lim\limits_{t\to 0}\pi\cdot r^2\frac{sen\,2\pi t}{2\pi t}=\pi r^2 \) poiché \( \lim\limits_{t\to 0}\frac{sen\,2\pi t}{2\pi t}=1 \) è un limite notevole!

Ma \( \pi r^2 \) è l’area della circonferenza…infatti la circonferenza si può definire come un poligono di infiniti lati!