수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 III 3-1번

문제

[문제 3] 다음을 읽고 문제에 답하시오.

● 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0이면, 정적분 ∫abf(x) dx\displaystyle \int_a^bf(x)\,dx는 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x), 직선 x=a\displaystyle x=a, 직선 x=b\displaystyle x=b와 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 도형의 넓이를 나타낸다.

● 미분가능한 함수 g(t)\displaystyle g(t)에 대하여 x=g(t)\displaystyle x=g(t)로 놓으면, 다음 식이 성립한다.

∫f(x) dx=∫f(g(t))g′(t) dt\displaystyle \int f(x)\,dx=\int f(g(t))g^{\prime}(t)\,dt

● 수열 {ak}\displaystyle \{a_k\}, {bk}\displaystyle \{b_k\}와 상수 c\displaystyle c에 대하여, 다음 식이 성립한다.

∑k=0n(cak+bk)=c∑k=0nak+∑k=0nbk\displaystyle \sum_{k=0}^n(ca_k+b_k)=c\sum_{k=0}^na_k+\sum_{k=0}^nb_k

[문제 3-1] 두 곡선 y=x4\displaystyle y=x^4과 y=21+x2\displaystyle y=\frac2{1+x^2}로 둘러싸인 도형의 넓이를 구하시오. [10점]

해설강의 준비중

[문제 3-1]

+3점 · 교점을 구하여 적분 구간이 [−1,1]\displaystyle [-1,1]이다. +3점 · 적분식을 구성한다.

교점을 구하자. x4(1+x2)=2\displaystyle x^4(1+x^2)=2이고 x2=t\displaystyle x^2=t로 쓰면 t2(1+t)=2\displaystyle t^2(1+t)=2이 되고 t=1\displaystyle t=1이다. 주어진 영역의 넓이는 아래와 같다.

∫−11{21+x2−x4} dx=2∫01{21+x2−x4} dx\displaystyle \int_{-1}^1\left\{\frac2{1+x^2}-x^4\right\}\,dx=2\int_0^1\left\{\frac2{1+x^2}-x^4\right\}\,dx

+4점 · ∫0121+x2 dx=π2\displaystyle \int_0^1\frac2{1+x^2}\,dx=\frac\pi2와 ∫01x4 dx=15\displaystyle \int_0^1x^4\,dx=\frac15 구해서 π−25\displaystyle \pi-\frac25 구하면

∫0121+x2 dx=π2\displaystyle \int_0^1\frac2{1+x^2}\,dx=\frac\pi2이고 ∫01x4 dx=15\displaystyle \int_0^1x^4\,dx=\frac15이므로 정답은 π−25\displaystyle \pi-\frac25이다.

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