Đề bài

Từ tờ giấy, cắt một hình tròn bán kính \(R\left( {cm} \right)\) như Hình 3a. Tiếp theo, cắt hai hình tròn bán kính \(\frac{R}{2}\) rồi chồng lên hình tròn đầu tiên như Hình 3b. Tiếp theo, cắt bốn hình tròn bán kính \(\frac{R}{4}\) rồi chồng lên các hình trước như Hình 3c. Cứ thế tiếp tục mãi. Tính tổng diện tích của các hình tròn.

Phương pháp giải

Đưa tổng diện tích của các hình tròn về tổng của cấp số nhân lùi vô hạn rồi áp dụng công thức tính tổng của cấp số nhân lùi vô hạn có số hạng đầu \({u_1}\) và công bội \(q\): \(S = {u_1} + {u_2} + ... + {u_n} + ... = \frac{{{u_1}}}{{1 - q}}\)

Lời giải của GV Loigiaihay.com

Giả sử các hình tròn bán kính \({R_1} = R,{R_2} = \frac{R}{2},{R_3} = \frac{R}{4} = \frac{R}{{{2^2}}},...,{R_n} = \frac{R}{{{2^{n - 1}}}},...\) có diện tích lần lượt là \({u_1},{u_2},{u_3},...,{u_n},...\) Ta có:

\(\begin{array}{l}{u_1} = \pi R_1^2 = \pi {R^2},{u_2} = \pi R_2^2 = \pi {\left( {\frac{R}{2}} \right)^2} = \pi {R^2}.\frac{1}{{{2^2}}},{u_3} = \pi R_3^2 = \pi {\left( {\frac{R}{{{2^2}}}} \right)^2} = \pi {R^2}.\frac{1}{{{2^4}}},...,\\{u_n} = \pi R_n^2 = \pi {\left( {\frac{R}{{{2^{n - 1}}}}} \right)^2} = \pi {R^2}.\frac{1}{{{2^{2n - 2}}}},...\end{array}\)

\(\begin{array}{l}S = {u_1} + {u_2} + ... + {u_n} + ... = \pi {R^2} + 2\pi {R^2}.\frac{1}{{{2^2}}} + 4.\pi {R^2}.\frac{1}{{{2^4}}} + ... + {2^{n + 1}}\pi {R^2}.\frac{1}{{{2^{2n - 2}}}} + ...\\\,\,\,\, = \pi {R^2} + \pi {R^2}.\frac{1}{2} + \pi {R^2}.\frac{1}{{{2^2}}} + ... + \pi {R^2}.\frac{1}{{{2^{n - 1}}}} + ...\\\,\,\,\, = \pi {R^2}\left( {1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{{{2^2}}} + ... + \frac{1}{{{2^{n - 1}}}} + ...} \right)\end{array}\)

Xét tổng: \({S_n} = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{{{2^2}}} + ... + \frac{1}{{{2^{n - 1}}}} + ...\)

Tổng trên là tổng của cấp số nhân lùi vô hạn có số hạng đầu \({u_1} = 1\) và công bội \(q = \frac{1}{2}\) nên: \({S_n} = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{{{2^2}}} + ... + \frac{1}{{{2^{n - 1}}}} + ... = \frac{1}{{1 - \frac{1}{2}}} = 2\).

Vậy \(S = \pi {R^2}.{S_n} = 2\pi {R^2}\).