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@@ -644,6 +644,84 @@ $\lim_{u \to 0}{Q(u)} < Q(3)$이기 때문에 $Q(u)$의 최솟값은 $n$이 무
\label{fig:v_max_n} \label{fig:v_max_n}
\end{figure} \end{figure}
그림 \ref{fig:v_max_n}은 정$n$각형 기둥에서 최대 부피 $V_{\max}(n)$
변의 개수 $n$에 따라 어떻게 변화하는지를 나타낸 것이다.
이때 $k$는 일정한 값으로 고정되어 있으며,
$n$에 대해 앞서 도출한 최적 조건을 적용하여 계산한 값이다.
그래프를 통해 다음과 같은 특징을 관찰할 수 있다.
\begin{itemize}
\item $n$이 증가할수록 $V_{\max}(n)$은 단조 증가한다.
\item 증가량은 점점 감소하며, 특정 값에 점근적으로 수렴하는 형태를 보인다.
\end{itemize}
이러한 경향은 앞서 유도한 식을 통해 이론적으로도 설명할 수 있다.
최대 부피는
\begin{equation}
V_{\max}(n) = \frac{2k^2}{9P(n)}
\end{equation}
이며, 둘레는
\begin{equation}
P(n) = 2 \sqrt{\frac{kn \tan(\pi / n)}{3}}
\end{equation}
이므로,
\begin{equation}
V_{\max}(n)
= \frac{2k^2}{9 \cdot 2 \sqrt{\frac{kn \tan(\pi / n)}{3}}}
= \frac{k^{3/2}}{3 \sqrt{3}} \cdot \frac{1}{\sqrt{n \tan(\pi / n)}}
\end{equation}
로 나타낼 수 있다.
따라서 $V_{\max}(n)$의 증감은 함수
\begin{equation}
Q(n) = n \tan\left(\frac{\pi}{n}\right)
\end{equation}
의 변화에 의해 결정된다.
앞서 $Q(n)$$n$이 증가함에 따라 감소하며,
\begin{equation}
\lim_{n \to \infty} Q(n) = \pi
\end{equation}
임을 보였다.
따라서
\begin{equation}
\lim_{n \to \infty} V_{\max}(n)
= \frac{k^{3/2}}{3 \sqrt{3\pi}}
\end{equation}
가 된다.
이 값은 이후 원기둥의 최대 부피로 도출된 값과 정확히 일치한다.
또한 $n$이 증가할수록 증가폭이 점점 작아지는 이유는
$\tan(\pi/n)$$n$이 커질수록 $\frac{\pi}{n}$에 가까워지기 때문이다.
즉,
\begin{equation}
\tan\left(\frac{\pi}{n}\right) \approx \frac{\pi}{n}
\quad (n \to \infty)
\end{equation}
이므로,
\begin{equation}
Q(n) \approx \pi
\end{equation}
로 빠르게 수렴하게 되고,
이에 따라 $V_{\max}(n)$ 역시 일정 값에 점점 가까워지게 된다.
기하학적으로 해석하면,
정다각형은 변의 개수가 증가할수록 원에 가까워지며,
같은 넓이를 가질 때 둘레가 점점 감소한다.
이로 인해 동일한 겉넓이 조건에서 더 많은 면적을 밑면에 할당할 수 있게 되고,
결과적으로 부피가 증가하게 된다.
그러나 $n$이 충분히 커진 이후에는
정다각형과 원 사이의 차이가 매우 작아지기 때문에,
부피 증가 역시 거의 발생하지 않는다.
이는 그래프에서 증가가 점점 완만해지는 형태로 나타난다.
따라서 정$n$각형 기둥의 최대 부피는
$n$이 증가함에 따라 단조 증가하며,
그 극한은 원기둥의 최대 부피와 일치한다.
\section{결론} \section{결론}
본 연구는 고정된 겉넓이 $k$를 가지는 윗면이 없는 기둥 중에서 본 연구는 고정된 겉넓이 $k$를 가지는 윗면이 없는 기둥 중에서