수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

1. f(x)=2x(x+a2x2)x2(1xa2x2)(x+a2x2)2=x(xa2x2+2a2x2)(x+a2x2)2a2x2\displaystyle f'(x)=\frac{2x(x+\sqrt{a^2-x^2})-x^2\left(1-\frac{x}{\sqrt{a^2-x^2}}\right)}{(x+\sqrt{a^2-x^2})^2}=\frac{x(x\sqrt{a^2-x^2}+2a^2-x^2)}{(x+\sqrt{a^2-x^2})^2\sqrt{a^2-x^2}}이고, 모든 0xa\displaystyle 0\le x\le a에 대하여 xa2x2+2a2x2>0\displaystyle x\sqrt{a^2-x^2}+2a^2-x^2>0이므로 f(0)=0\displaystyle f'(0)=0이다.따라서 임의의 0<x<a\displaystyle 0<x<a에 대하여 f(x)>0\displaystyle f'(x)>0이고 f(x)\displaystyle f(x)[0,a]\displaystyle [0,a]에서 연속이므로, 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 단조증가함수이고 일대일 함수이다.

2. I=0πxf(asinx)dx\displaystyle I=\int_0^\pi xf(a\sin x)\,dx라 하면 I=0π/2xf(asinx)dx+π/2πxf(asinx)dx\displaystyle I=\int_0^{\pi/2}xf(a\sin x)\,dx+\int_{\pi/2}^\pi xf(a\sin x)\,dx이고t=πx\displaystyle t=\pi-x로 치환하여 적분하면π/2πxf(asinx)dx=π/20(πt)f(asin(πt))(dt)=0π/2(πt)f(asint)dt\displaystyle \int_{\pi/2}^\pi xf(a\sin x)\,dx=\int_{\pi/2}^0(\pi-t)f(a\sin(\pi-t))(-dt)=\int_0^{\pi/2}(\pi-t)f(a\sin t)\,dt이므로 I=π0π/2f(asinx)dx\displaystyle I=\pi\int_0^{\pi/2}f(a\sin x)\,dx이다.

3. 2번의 결과로부터I=π0π/2f(asinx)dx=π0π/2a2sin2tasint+acostdt=aπ0π/2sin2tsint+costdt\displaystyle I=\pi\int_0^{\pi/2}f(a\sin x)\,dx=\pi\int_0^{\pi/2}\frac{a^2\sin^2t}{a\sin t+a\cos t}\,dt=a\pi\int_0^{\pi/2}\frac{\sin^2t}{\sin t+\cos t}\,dt이고, 다시 θ=π2t\displaystyle \theta=\frac\pi2-t로 치환하여 적분하면I=aπ0π/2sin2tsint+costdt=aππ/20sin2(π2θ)sin(π2θ)+cos(π2θ)(dθ)=aπ0π/2cos2θcosθ+sinθdθ\displaystyle I=a\pi\int_0^{\pi/2}\frac{\sin^2t}{\sin t+\cos t}\,dt=a\pi\int_{\pi/2}^0\frac{\sin^2(\frac\pi2-\theta)}{\sin(\frac\pi2-\theta)+\cos(\frac\pi2-\theta)}(-d\theta)=a\pi\int_0^{\pi/2}\frac{\cos^2\theta}{\cos\theta+\sin\theta}\,d\theta따라서 2I=aπ0π/2sin2θ+cos2θsinθ+cosθdθ=aπ0π/21sinθ+cosθdθ\displaystyle 2I=a\pi\int_0^{\pi/2}\frac{\sin^2\theta+\cos^2\theta}{\sin\theta+\cos\theta}\,d\theta=a\pi\int_0^{\pi/2}\frac1{\sin\theta+\cos\theta}\,d\theta이고,I=aπ20π/2dθsinθ+cosθ=aπ220π/21sin(θ+π4)dθ=aπ22π/43π/41sinθdθ=aπ22π/43π/4sinθ1cos2θdθ\displaystyle I=\frac{a\pi}2\int_0^{\pi/2}\frac{d\theta}{\sin\theta+\cos\theta}=\frac{a\pi}{2\sqrt2}\int_0^{\pi/2}\frac1{\sin(\theta+\frac\pi4)}\,d\theta=\frac{a\pi}{2\sqrt2}\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\frac1{\sin\theta}\,d\theta=\frac{a\pi}{2\sqrt2}\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\frac{\sin\theta}{1-\cos^2\theta}\,d\theta이다. 다시 cosθ=x\displaystyle \cos\theta=x로 치환하여 적분하면,I=aπ22π/43π/4sinθ1cos2θdθ=aπ221/21/2(dx)1x2=aπ221/21/2dx1x2\displaystyle I=\frac{a\pi}{2\sqrt2}\int_{\pi/4}^{3\pi/4}\frac{\sin\theta}{1-\cos^2\theta}\,d\theta=\frac{a\pi}{2\sqrt2}\int_{1/\sqrt2}^{-1/\sqrt2}\frac{(-dx)}{1-x^2}=\frac{a\pi}{2\sqrt2}\int_{-1/\sqrt2}^{1/\sqrt2}\frac{dx}{1-x^2}이다.한편 11x2=12(1x+11x1)\displaystyle \frac1{1-x^2}=\frac12\left(\frac1{x+1}-\frac1{x-1}\right)이므로,I=aπ421/21/21x+11x1dx=[aπ42lnx+1x1]1/21/2=aπ2ln(1+2)\displaystyle I=\frac{a\pi}{4\sqrt2}\int_{-1/\sqrt2}^{1/\sqrt2}\frac1{x+1}-\frac1{x-1}\,dx=\Biggl[\frac{a\pi}{4\sqrt2}\ln\left|\frac{x+1}{x-1}\right|\Biggr]_{-1/\sqrt2}^{1/\sqrt2}=\frac{a\pi}{\sqrt2}\ln(1+\sqrt2)이다.

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