수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 3-1번

문제

[문제 3-1] 중심이 원점이고 반지름의 길이가 1인 구를 평면 x+y+z=1\displaystyle x+y+z=1로 자를 때 생기는 단면을 F\displaystyle F라 하자. 도형 F\displaystyle F의 평면 (t−1)x+ty+(t+1)z=1\displaystyle (t-1)x+ty+(t+1)z=1 위로의 정사영을 F′\displaystyle F^{\prime}이라 하고, F′\displaystyle F^{\prime}의 넓이를 S(t)\displaystyle S(t)라고 할 때, ∫−12S(t) dt\displaystyle \int_{-1}^2S(t)\,dt의 값을 구하시오. (단, t\displaystyle t는 실수이다.) [10점]

(가) 평면 α\displaystyle \alpha 위에 있지 않은 점 P에서 평면 α\displaystyle \alpha에 내린 수선의 발 P′\displaystyle ^{\prime}을 점 P의 평면 α\displaystyle \alpha 위로의 정사영이라고 한다.

(나) 두 공간벡터 a⃗,b⃗\displaystyle \vec a,\vec b가 이루는 각의 크기가 θ\displaystyle \theta (0≤θ≤π\displaystyle 0\le\theta\le\pi)일 때 다음이 성립한다.

a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣∣b⃗∣cos⁡θ\displaystyle \vec a\cdot\vec b=|\vec a||\vec b|\cos\theta

(다) 두 함수 y=f(u)\displaystyle y=f(u), u=g(x)\displaystyle u=g(x)가 각각 u,x\displaystyle u,x에 대하여 미분가능하면 합성함수 y=f(g(x))\displaystyle y=f(g(x))도 x\displaystyle x에 대하여 미분가능하고, 그 도함수는 dydx=dydu⋅dudx\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}이다.

(라) x\displaystyle x의 함수 y\displaystyle y가 음함수 f(x,y)=0\displaystyle f(x,y)=0의 꼴로 주어졌을 때, y\displaystyle y를 x\displaystyle x의 함수로 보고 각 항을 x\displaystyle x에 대하여 미분한 후 dydx\displaystyle \frac{dy}{dx}를 구한다.

해설강의 준비중

수학 문제 3-1 예시답안

+3점 · [3-1] 단면 F\displaystyle F의 넓이는 23π\displaystyle \frac23\pi 구하면 +3점 · [3-1] cos⁡θ=3t3t2+2\displaystyle \cos\theta=\frac{\sqrt3t}{\sqrt{3t^2+2}} 구하면 +4점 · [3-1] S(t)=23π3∣t∣3t2+2\displaystyle S(t)=\frac23\pi\frac{\sqrt3|t|}{\sqrt{3t^2+2}}임을 구하고 적분을 하여 2π33(14+5−22)\displaystyle \frac{2\pi}{3\sqrt3}(\sqrt{14}+\sqrt5-2\sqrt2) 구하면

원점과 평면 x+y+z=1\displaystyle x+y+z=1 사이의 거리는 13\displaystyle \frac1{\sqrt3}이고 따라서 단면 F\displaystyle F의 넓이는 23π\displaystyle \frac23\pi이다. 또한, 두 평면이 이루는 각의 크기를 θ\displaystyle \theta라 할 때, 두 법선벡터가 (1,1,1)\displaystyle (1,1,1)과 (t−1,t,t+1)\displaystyle (t-1,t,t+1)이므로 내적을 이용하면 cos⁡θ=3t3t2+2\displaystyle \cos\theta=\frac{\sqrt3t}{\sqrt{3t^2+2}}를 얻는다. 정사영의 넓이는 두 평면이 이루는 예각을 고려하므로 S(t)=23π3∣t∣3t2+2\displaystyle S(t)=\frac23\pi\frac{\sqrt3|t|}{\sqrt{3t^2+2}}이다. 적분을 계산하면∫−12S(t) dt=23π(2∫013t3t2+2 dt+∫123t3t2+2 dt)=2π33(14+5−22)\displaystyle \int_{-1}^2S(t)\,dt=\frac23\pi\left(2\int_0^1\frac{\sqrt3t}{\sqrt{3t^2+2}}\,dt+\int_1^2\frac{\sqrt3t}{\sqrt{3t^2+2}}\,dt\right)=\frac{2\pi}{3\sqrt3}(\sqrt{14}+\sqrt5-2\sqrt2)이다.

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