수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오전) 2번

문제

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해설강의 준비중
+4점 · 부피를 정적분 식으로 나타냄 (2점) 정적분 과정을 보이고 부피를 최종적으로 구함 (2점)

(1) 높이를 축으로 생각하면 축에 수직인 평면으로 자른 단면은 반지름 1h\displaystyle 1 - \sqrt{{h}}인 원이고 단면적은 π(1h)2\displaystyle \pi ( 1 - \sqrt{{h}} )^{{2}}이다. 다음과 같이 정적분을 이용하여 부피를 구한다.

01π(1h)2dh=01π(12h+h)dh=π[h43h3/2+12h2]01=16π\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1\pi(1-\sqrt h)^2\,dh&=\int_0^1\pi(1-2\sqrt h+h)\,dh\\&=\pi\Biggl[h-\frac43h^{3/2}+\frac12h^2\Biggr]_0^1\\&=\frac16\pi\end{aligned}

+7점 · x\displaystyle xy\displaystyle y의 도함수를 구함 (3점) 정적분을 통하여 거리를 구함 (4점)

(2) 점 P\displaystyle {{P}}가 움직인 거리 l\displaystyle l은 다음과 같다.

l=0π(dxdt)2+(dydt)2dt\displaystyle l=\int_0^\pi\sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}\,dt

dxdt=etcostetsint\displaystyle \frac{{d x}}{{d t}} = - e^{{- t}} \cos t - e^{{- t}} \sin t, dydt=etsint+etcost\displaystyle \frac{{d y}}{{d t}} = - e^{{- t}} \sin t + e^{{- t}} \cos t

이므로,

l=0π(etcostetsint)2+(etsint+etcost)2dt=0πet(cost+sint)2+(sint+cost)2dt=0πet2(sin2t+cos2t)dt=0πet2dt=2[et]0π=2(1eπ)\displaystyle \begin{aligned}l&=\int_0^\pi\sqrt{(-e^{-t}\cos t-e^{-t}\sin t)^2+(-e^{-t}\sin t+e^{-t}\cos t)^2}\,dt\\&=\int_0^\pi e^{-t}\sqrt{(\cos t+\sin t)^2+(-\sin t+\cos t)^2}\,dt\\&=\int_0^\pi e^{-t}\sqrt{2(\sin^2t+\cos^2t)}\,dt\\&=\int_0^\pi e^{-t}\sqrt2\,dt\\&=\sqrt2\Biggl[-e^{-t}\Biggr]_0^\pi\\&=\sqrt2(1-e^{-\pi})\end{aligned}

+9점 · 밑면에 중심과 밑면에 수직인 평면으로 입체 도형을 자른 평면을 1x1\displaystyle -1\le x\le11y1\displaystyle -1\le y\le1구간에서 좌표평면에 표현 (3점) 접선의 방정식을 세우고, 접점의 좌표를 이용하여 원뿔 부피를 함수로 표현 (3점) 합성함수의 미분과 함수의 최댓값 구하는 원리를 이용하여 부피가 최대가 되는 접점의 좌표를 구한 후 최대 부피값 구함 (3점)

(3)

두 포물선에 접하는 원뿔 단면과 접점 a를 나타낸 그림 3.

밑면의 중심과 밑면에 수직으로 지나는 평면으로 <그림 2>의 복부를 잘랐을 때, 원뿔의 단면은 위의 그림과 같이 y=(x1)2\displaystyle y = ( x - 1 )^{{2}}y=(x+1)2\displaystyle y = ( x + 1 )^{{2}}에 각각 접하는 2\displaystyle 2개의 직선들과 x\displaystyle x축 상 (1,0)\displaystyle ( - 1 , 0 )(1,0)\displaystyle ( 1 , 0 )사이의 직선으로 이루어진 삼각형이다.

<그림 3>의 x=a\displaystyle x = a에서 y=(x1)2\displaystyle y = ( x - 1 )^{{2}}에 접하는 접선의 기울기는 2(a1)\displaystyle 2 ( a - 1 )이며, 접선의 방정식은 다음과 같다.

y=2(a1)(xa)+(a1)2\displaystyle y = 2 ( a - 1 ) ( x - a ) + ( a - 1 )^{{2}}

해당 직선이 x\displaystyle x축과 y\displaystyle y축과 만나는 점들은 각각 (a+12,0)\displaystyle \left( \frac{{a + 1}}{{2}} , 0 \right)(0,1a2)\displaystyle \left( 0 , 1 - a^{{2}} \right)이다.

즉, 원뿔 밑면의 반지름은 a+12\displaystyle \frac{{a + 1}}{{2}}이고, 원뿔의 높이는 1a2\displaystyle 1 - a^{{2}}이다.

따라서 원뿔의 부피는 V=112π(a+1)2(1a2)\displaystyle {{V}} = \frac{{1}}{{12}} \pi ( a + 1 )^{{2}} \left( 1 - a^{{2}} \right)이다. 단, 0a1\displaystyle 0 \leq a \leq 1이다.

함수 V\displaystyle {{V}}의 도함수 dVda=16π(a+1)(2a2a+1)\displaystyle \frac{{d {{V}}}}{{d a}} = \frac{{1}}{{6}} \pi ( a + 1 ) \left( - 2 a^{{2}} - a + 1 \right)a=12\displaystyle a = \frac{{1}}{{2}}에서 dVda=0\displaystyle \frac{{d {{V}}}}{{d a}} = 0, 0<a<12\displaystyle 0 < a < \frac{{1}}{{2}}에서 dVda>0\displaystyle \frac{{d {{V}}}}{{d a}} > 0, 12<a<1\displaystyle \frac{{1}}{{2}} < a < 1에서 dVda<0\displaystyle \frac{{d {{V}}}}{{d a}} < 0을 만족한다. 그래프의 개형으로부터 구간 [0,1]\displaystyle [ 0 , 1 ]에서 함수 V\displaystyle {{V}}a=12\displaystyle a = \frac{{1}}{{2}}에서 최댓값 964π\displaystyle \frac9{64} \pi 을 취한다. 즉, 원뿔의 최대 부피는 964π\displaystyle \frac{{9}}{{64}} \pi 이다.

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