수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문 <가>와 <나>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 반지름이 R\displaystyle R인 원기둥을 밑면의 지름을 지나고 밑면과 이루는 각의 크기가 θ\displaystyle \theta인 평면으로 자른다. 아래 그림은 이때 생기는 입체도형을 좌표공간 내에서 나타낸 것이다. 선분 AB는 x\displaystyle x축에 수직하며 삼각형 PAB는 직각삼각형이다. 점 A, B, P의 좌표는 A(x,y,0)\displaystyle \mathrm{A}(x,y,0), B(x,0,0)\displaystyle \mathrm{B}(x,0,0), P(x,y,z)\displaystyle \mathrm{P}(x,y,z)이다.

원기둥을 평면으로 자른 입체도형과 삼각형 PAB

<나> 반지름이 R\displaystyle R인 구를 동일한 지름을 지나는 평면으로 각도 2πN\displaystyle \frac{2\pi}{N}만큼 반복하여 자르면 N\displaystyle N개의 같은 모양의 조각으로 나뉜다. 이 N\displaystyle N개의 조각들을 아래 그림처럼 제시문 <가>의 θ=2πN\displaystyle \theta=\frac{2\pi}{N}인 입체도형 N\displaystyle N개로 바꾸어 놓자.

구의 조각을 원기둥을 자른 입체도형으로 바꾼 모양

1-1. 제시문 <가>에서 원기둥을 자르는 평면의 방정식을 구하시오. [10점]

1-2. 제시문 <가>에서 주어진 삼각형 PAB의 넓이를 x\displaystyle x에 대한 함수로 표현하시오. [10점]

1-3. 제시문 <가>에서 설명된 입체도형의 부피를 구하시오. [10점]

1-4. 제시문 <나>에서 표현된 입체도형 N\displaystyle N개의 부피의 합 VN\displaystyle V_N을 구하고, lim⁡N→∞VN\displaystyle \lim_{N\to\infty}V_N을 구하시오. [10점]

해설강의 준비중

1-1.[풀이]원기둥을 자른 평면은 x\displaystyle x축을 포함하는 평면의 방정식이므로 z=my\displaystyle z=my로 나타낼 수 있다. 이 때, xy\displaystyle xy평면과 이루는 기울기 m=tan⁡θ\displaystyle m=\tan\theta이므로, z=tan⁡θ y\displaystyle z=\tan\theta\,y이다.

1-2.[풀이]점 P(x,y,z)\displaystyle \mathrm{P}(x,y,z)는 단면 위의 점이므로 문제 1-1로부터 z=ytan⁡θ\displaystyle z=y\tan\theta이 됨을 알 수 있다. 그리고 점 A(x,y,0)\displaystyle \mathrm{A}(x,y,0)는 반경 R\displaystyle R인 원의 원주 위의 점이므로 x2+y2=R2\displaystyle x^2+y^2=R^2. 그러므로△PAB\displaystyle \triangle\mathrm{PAB}의 넓이 =12y⋅z=12y⋅ytan⁡θ=tan⁡θ2y2=tan⁡θ2(R2−x2)\displaystyle =\frac12y\cdot z=\frac12y\cdot y\tan\theta=\frac{\tan\theta}{2}y^2=\frac{\tan\theta}{2}(R^2-x^2)

1-3.[풀이]문제 1-2에서 구한 삼각형 PAB의 면적을 −R≤x≤R\displaystyle -R\le x\le R의 영역에서 적분하면 입체도형의 부피가 얻어진다.부피 =∫−RRtan⁡θ2(R2−x2) dx=23tan⁡θ R3\displaystyle =\int_{-R}^R\frac{\tan\theta}{2}(R^2-x^2)\,dx=\frac23\tan\theta\,R^3

1-4.[풀이]제시문 <나>에서 입체도형 하나의 부피는 문제 1-3의 결과에 θ=2πN\displaystyle \theta=\frac{2\pi}{N}을 대입하면 얻어지고 모두 N\displaystyle N개의 입체도형이 있으므로 부피의 총합은VN=N⋅23(tan⁡2πN)R3\displaystyle V_N=N\cdot\frac23\left(\tan\frac{2\pi}{N}\right)R^3그러므로 N→∞\displaystyle N\to\infty의 극한을 취하면, lim⁡x→0tan⁡xx=1\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\tan x}{x}=1이므로lim⁡N→∞VN=lim⁡N→∞4π3R3tan⁡2πN2πN=4π3R3\displaystyle \lim_{N\to\infty}V_N=\lim_{N\to\infty}\frac{4\pi}{3}R^3\frac{\tan\frac{2\pi}{N}}{\frac{2\pi}{N}}=\frac{4\pi}{3}R^3

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