수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2-2번

문제

[문제 2] 다음을 읽고 문제에 답하시오.

● 양수 M\displaystyle M, N\displaystyle N에 대하여 ln⁡(MN)=ln⁡M+ln⁡N\displaystyle \ln(MN)=\ln M+\ln N이 성립한다.

● 첫째항이 a\displaystyle a이고 공차가 d\displaystyle d인 등차수열의 첫째항부터 제n\displaystyle n항까지의 합은 n{2a+(n−1)d}2\displaystyle \frac{n\{2a+(n-1)d\}}2이다.

● 등비급수 ∑n=1∞arn−1\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}ar^{n-1} (a≠0)\displaystyle (a\ne0)은 ∣r∣<1\displaystyle |r|<1일 때 수렴하고 그 합은 a1−r\displaystyle \frac a{1-r}이다.

● 미분가능한 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 도함수 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)가 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]를 포함하는 열린구간에서 연속이고, g(a)=α\displaystyle g(a)=\alpha, g(b)=β\displaystyle g(b)=\beta에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta를 양끝으로 하는 닫힌구간에서 연속일 때 다음 식이 성립한다.∫abf(g(x))g′(x)dx=∫αβf(t)dt\displaystyle \int_a^bf(g(x))g^{\prime}(x)dx=\int_\alpha^\beta f(t)dtComment. 치환적분 공식의 연속성 조건은 g([a,b])\displaystyle g([a,b]) 전체를 대상으로 해야 한다. g\displaystyle g가 중간에 α\displaystyle \alpha와 β\displaystyle \beta 사이를 벗어날 수 있으므로, 두 끝값 사이에서의 연속성만으로는 충분하지 않다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

● 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 다음 식이 성립한다.sin⁡(π2−x)=cos⁡x, sin⁡2x+cos⁡2x=1\displaystyle \sin\left(\frac\pi2-x\right)=\cos x,\ \sin^2x+\cos^2x=1

[문제 2-2] 다음 정적분의 값을 구하시오. [15점]∫0π2(2x2−πx+π2)sin⁡2x dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}(2x^2-\pi x+\pi^2)\sin^2x\,dx

해설강의 준비중

[문제 2-2]

+6점 · t=π2−x\displaystyle t=\frac\pi2-x로 치환하여 정적분을 ∫0π2(2x2−πx+π2)cos⁡2x dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}(2x^2-\pi x+\pi^2)\cos^2x\,dx로 표현하면

t=π2−x\displaystyle t=\frac\pi2-x로 치환하여 정적분을 다음과 같이 정리한다.∫0π2(2x2−πx+π2)sin⁡2x dx=∫0π2{2(π2−x)2−π(π2−x)+π2}sin⁡2(π2−x)dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}(2x^2-\pi x+\pi^2)\sin^2x\,dx=\int_0^{\frac\pi2}\left\{2\left(\frac\pi2-x\right)^2-\pi\left(\frac\pi2-x\right)+\pi^2\right\}\sin^2\left(\frac\pi2-x\right)dx여기서 삼각함수의 성질에 의해 sin⁡(π2−x)=cos⁡x\displaystyle \sin\left(\frac\pi2-x\right)=\cos x이고 다항식을 전개하면2(π2−x)2−π(π2−x)+π2=2x2−πx+π2\displaystyle 2\left(\frac\pi2-x\right)^2-\pi\left(\frac\pi2-x\right)+\pi^2=2x^2-\pi x+\pi^2이므로∫0π2(2x2−πx+π2)sin⁡2x dx=∫0π2(2x2−πx+π2)cos⁡2x dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}(2x^2-\pi x+\pi^2)\sin^2x\,dx=\int_0^{\frac\pi2}(2x^2-\pi x+\pi^2)\cos^2x\,dx이다.

+6점 · 삼각함수의 성질을 이용하여 12∫0π2(2x2−πx+π2)dx\displaystyle \frac12\int_0^{\frac\pi2}(2x^2-\pi x+\pi^2)dx를 얻으면

따라서 제시문에 주어진 삼각함수의 성질에 의해∫0π2(2x2−πx+π2)sin⁡2x dx=12∫0π2(2x2−πx+π2)(cos⁡2x+sin⁡2x)dx=12∫0π2(2x2−πx+π2)dx\displaystyle \begin{aligned}\int_0^{\frac\pi2}(2x^2-\pi x+\pi^2)\sin^2x\,dx&=\frac12\int_0^{\frac\pi2}(2x^2-\pi x+\pi^2)(\cos^2x+\sin^2x)dx\\&=\frac12\int_0^{\frac\pi2}(2x^2-\pi x+\pi^2)dx\end{aligned}가 성립한다.

+3점 · 최종적으로 정적분을 계산하여 정답 11π348\displaystyle \frac{11\pi^3}{48}을 얻으면

마지막으로 적분을 계산하여 정답 11π348\displaystyle \frac{11\pi^3}{48}을 얻는다.

※ 논리 전개 과정이 맞으면 답이 틀리더라도 1~2점의 부분 점수를 부여할 수 있습니다.

※ 채점자는 답안의 완성도에 따라 –0.5~+0.5점을 부여할 수 있습니다.

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