+4점 · 부피를 정적분 식으로 나타냄 (2점)
정적분 과정을 보이고 부피를 최종적으로 구함 (2점) (1) 높이를 축으로 생각하면 축에 수직인 평면으로 자른 단면은 반지름 1 − h \displaystyle 1 - \sqrt{{h}} 1 − h 인 원이고 단면적은 π ( 1 − h ) 2 \displaystyle \pi ( 1 - \sqrt{{h}} )^{{2}} π ( 1 − h ) 2 이다. 다음과 같이 정적분을 이용하여 부피를 구한다.
∫ 0 1 π ( 1 − h ) 2 d h = ∫ 0 1 π ( 1 − 2 h + h ) d h = π [ h − 4 3 h 3 / 2 + 1 2 h 2 ] 0 1 = 1 6 π \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} ∫ 0 1 π ( 1 − h ) 2 d h = ∫ 0 1 π ( 1 − 2 h + h ) d h = π [ h − 3 4 h 3/2 + 2 1 h 2 ] 0 1 = 6 1 π
+7점 · x \displaystyle x x 와 y \displaystyle y y 의 도함수를 구함 (3점)
정적분을 통하여 거리를 구함 (4점) (2) 점 P \displaystyle {{P}} P 가 움직인 거리 l \displaystyle l l 은 다음과 같다.
l = ∫ 0 π ( d x d t ) 2 + ( d y d t ) 2 d t \displaystyle l=\int_0^\pi\sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2+\left(\frac{dy}{dt}\right)^2}\,dt l = ∫ 0 π ( d t d x ) 2 + ( d t d y ) 2 d t
d x d t = − e − t cos t − e − t sin t \displaystyle \frac{{d x}}{{d t}} = - e^{{- t}} \cos t - e^{{- t}} \sin t d t d x = − e − t cos t − e − t sin t , d y d t = − e − t sin t + e − t cos t \displaystyle \frac{{d y}}{{d t}} = - e^{{- t}} \sin t + e^{{- t}} \cos t d t d y = − e − t sin t + e − t cos t
이므로,
l = ∫ 0 π ( − e − t cos t − e − t sin t ) 2 + ( − e − t sin t + e − t cos t ) 2 d t = ∫ 0 π e − t ( cos t + sin t ) 2 + ( − sin t + cos t ) 2 d t = ∫ 0 π e − t 2 ( sin 2 t + cos 2 t ) d t = ∫ 0 π e − t 2 d t = 2 [ − e − t ] 0 π = 2 ( 1 − e − π ) \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} l = ∫ 0 π ( − e − t cos t − e − t sin t ) 2 + ( − e − t sin t + e − t cos t ) 2 d t = ∫ 0 π e − t ( cos t + sin t ) 2 + ( − sin t + cos t ) 2 d t = ∫ 0 π e − t 2 ( sin 2 t + cos 2 t ) d t = ∫ 0 π e − t 2 d t = 2 [ − e − t ] 0 π = 2 ( 1 − e − π )
+9점 · 밑면에 중심과 밑면에 수직인 평면으로 입체 도형을 자른 평면을 − 1 ≤ x ≤ 1 \displaystyle -1\le x\le1 − 1 ≤ x ≤ 1 와 − 1 ≤ y ≤ 1 \displaystyle -1\le y\le1 − 1 ≤ y ≤ 1 구간에서 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)
밑면의 중심과 밑면에 수직으로 지나는 평면으로 <그림 2>의 복부를 잘랐을 때, 원뿔의 단면은 위의 그림과 같이 y = ( x − 1 ) 2 \displaystyle y = ( x - 1 )^{{2}} y = ( x − 1 ) 2 와 y = ( x + 1 ) 2 \displaystyle y = ( x + 1 )^{{2}} y = ( x + 1 ) 2 에 각각 접하는 2 \displaystyle 2 2 개의 직선들과 x \displaystyle x x 축 상 ( − 1 , 0 ) \displaystyle ( - 1 , 0 ) ( − 1 , 0 ) 과 ( 1 , 0 ) \displaystyle ( 1 , 0 ) ( 1 , 0 ) 사이의 직선으로 이루어진 삼각형이다.
<그림 3>의 x = a \displaystyle x = a x = a 에서 y = ( x − 1 ) 2 \displaystyle y = ( x - 1 )^{{2}} y = ( x − 1 ) 2 에 접하는 접선의 기울기는 2 ( a − 1 ) \displaystyle 2 ( a - 1 ) 2 ( a − 1 ) 이며, 접선의 방정식은 다음과 같다.
y = 2 ( a − 1 ) ( x − a ) + ( a − 1 ) 2 \displaystyle y = 2 ( a - 1 ) ( x - a ) + ( a - 1 )^{{2}} y = 2 ( a − 1 ) ( x − a ) + ( a − 1 ) 2
해당 직선이 x \displaystyle x x 축과 y \displaystyle y y 축과 만나는 점들은 각각 ( a + 1 2 , 0 ) \displaystyle \left( \frac{{a + 1}}{{2}} , 0 \right) ( 2 a + 1 , 0 ) 과 ( 0 , 1 − a 2 ) \displaystyle \left( 0 , 1 - a^{{2}} \right) ( 0 , 1 − a 2 ) 이다.
즉, 원뿔 밑면의 반지름은 a + 1 2 \displaystyle \frac{{a + 1}}{{2}} 2 a + 1 이고, 원뿔의 높이는 1 − a 2 \displaystyle 1 - a^{{2}} 1 − a 2 이다.
따라서 원뿔의 부피는 V = 1 12 π ( a + 1 ) 2 ( 1 − a 2 ) \displaystyle {{V}} = \frac{{1}}{{12}} \pi ( a + 1 )^{{2}} \left( 1 - a^{{2}} \right) V = 12 1 π ( a + 1 ) 2 ( 1 − a 2 ) 이다. 단, 0 ≤ a ≤ 1 \displaystyle 0 \leq a \leq 1 0 ≤ a ≤ 1 이다.
함수 V \displaystyle {{V}} V 의 도함수 d V d a = 1 6 π ( a + 1 ) ( − 2 a 2 − a + 1 ) \displaystyle \frac{{d {{V}}}}{{d a}} = \frac{{1}}{{6}} \pi ( a + 1 ) \left( - 2 a^{{2}} - a + 1 \right) d a d V = 6 1 π ( a + 1 ) ( − 2 a 2 − a + 1 ) 는 a = 1 2 \displaystyle a = \frac{{1}}{{2}} a = 2 1 에서 d V d a = 0 \displaystyle \frac{{d {{V}}}}{{d a}} = 0 d a d V = 0 , 0 < a < 1 2 \displaystyle 0 < a < \frac{{1}}{{2}} 0 < a < 2 1 에서 d V d a > 0 \displaystyle \frac{{d {{V}}}}{{d a}} > 0 d a d V > 0 , 1 2 < a < 1 \displaystyle \frac{{1}}{{2}} < a < 1 2 1 < a < 1 에서 d V d a < 0 \displaystyle \frac{{d {{V}}}}{{d a}} < 0 d a d V < 0 을 만족한다. 그래프의 개형으로부터 구간 [ 0 , 1 ] \displaystyle [ 0 , 1 ] [ 0 , 1 ] 에서 함수 V \displaystyle {{V}} V 는 a = 1 2 \displaystyle a = \frac{{1}}{{2}} a = 2 1 에서 최댓값 9 64 π \displaystyle \frac9{64} \pi 64 9 π 을 취한다. 즉, 원뿔의 최대 부피는 9 64 π \displaystyle \frac{{9}}{{64}} \pi 64 9 π 이다.