수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

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문제

다) 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 미분가능한 함수 x=g(t)\displaystyle x=g(t)의 도함수 g′(t)\displaystyle g^{\prime}(t)가 구간 [α,β]\displaystyle [\alpha,\beta]에서 연속이고, a=g(α)\displaystyle a=g(\alpha), b=g(β)\displaystyle b=g(\beta)일 때,∫abf(x) dx=∫αβf(g(t))g′(t) dt\displaystyle \int_a^b f(x)\,dx=\int_\alpha^\beta f(g(t))g^{\prime}(t)\,dt가 성립한다. 이를 정적분의 치환적분법이라 한다.

[논제 3] 타원 x23+y2=1\displaystyle \frac{x^2}3+y^2=1 위의 한 점 P\displaystyle P에서의 접선의 x\displaystyle x절편이 x=23\displaystyle x=2\sqrt3이라 하자. 이때 타원과 접선 및 x\displaystyle x축으로 둘러싸인 영역의 넓이를 구하시오. (25점)

해설강의 준비중

[논제 3] (25점) 점 P\displaystyle P의 좌표를 P(a,b)\displaystyle P(a,b)라 두자 (b>0\displaystyle b>0이라 가정할 수 있다). 미분하여 P\displaystyle P에서의 접선의 기울기를 구하면 −a3b\displaystyle -\frac a{3b}이다. 따라서 접선의 방정식은 y−b=−a3b(x−a)\displaystyle y-b=-\frac a{3b}(x-a)가 된다.(별해) 점 P\displaystyle P의 좌표를 P(a,b)\displaystyle P(a,b)라 두면, 접선의 방정식은 ax3+by=1\displaystyle \frac{ax}3+by=1이다.이 직선이 (23,0)\displaystyle (2\sqrt3,0)을 지나므로 이 점을 접선 식에 대입하고 a23+b2=1\displaystyle \frac{a^2}3+b^2=1을 이용하면 a=b=32\displaystyle a=b=\frac{\sqrt3}2를 얻는다. 점 A,B\displaystyle A,B를 각각 A(32,0)\displaystyle A(\frac{\sqrt3}2,0), B(23,0)\displaystyle B(2\sqrt3,0)이라 두면, 구하는 면적 S\displaystyle S는S=△PAB\displaystyle S=\triangle PAB의 면적 −∫3231−x23 dx\displaystyle -\int_{\frac{\sqrt3}2}^{\sqrt3}\sqrt{1-\frac{x^2}3}\,dx여기서 △PAB\displaystyle \triangle PAB의 면적 =12×332×32=98\displaystyle =\frac12\times\frac{3\sqrt3}2\times\frac{\sqrt3}2=\frac98이다. 한편, 정적분은 x=3sin⁡t\displaystyle x=\sqrt3\sin t로 치환하면∫3231−x23 dx=3∫π6π2cos⁡2t dt=32∫π6π2(1+cos⁡2t) dt=3π6−38\displaystyle \int_{\frac{\sqrt3}2}^{\sqrt3}\sqrt{1-\frac{x^2}3}\,dx=\sqrt3\int_{\frac\pi6}^{\frac\pi2}\cos^2t\,dt=\frac{\sqrt3}2\int_{\frac\pi6}^{\frac\pi2}(1+\cos2t)\,dt=\frac{\sqrt3\pi}6-\frac38.따라서 구하는 면적 S\displaystyle S는 S=98−(3π6−38)=32−3π6\displaystyle S=\frac98-(\frac{\sqrt3\pi}6-\frac38)=\frac32-\frac{\sqrt3\pi}6이다.

평가 기준
제시문에 주어진 개념을 정확하게 이해하고, 문제 해결에 활용할 수 있는 능력
일차변환의 역변환이 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우로 나누어 문제를 해결하는 능력
치환적분과 삼각함수 공식을 적분에 적용하는 계산 능력
논제에서 요구하는 사항을 정확히 이해하고 기존 지식과 제시문의 내용을 바탕으로 논제의 답을 논리적으로 추론하고 제시하는 능력

첨삭 사례

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