수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

수학과학우수자 1번

문제

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해설강의 준비중
+5점 · (1) 단순한 치환적분 문제이다.

[문제 1](1) dt=(3s2+1)ds\displaystyle dt=(3s^2+1)ds, t=1\displaystyle t=1일 때 s=0\displaystyle s=0, t=3\displaystyle t=3일 때 s=1\displaystyle s=1이므로13(ts)dt=01(s3+1)(3s2+1)ds=114\displaystyle \int_1^3(t-s)\,dt=\int_0^1(s^3+1)(3s^2+1)\,ds=\frac{11}4.

+10점 · (2) 축을 설정한 단면의 면적을 구하여 구하고자 하는 회전체의 부피를 적분식으로 표현한다.

(2) 직선 y=x\displaystyle y=xt\displaystyle t축으로 설정하고, 원점에서 t\displaystyle t축으로 거리가 t\displaystyle t인 점 P(t2,t2)\displaystyle P(\frac t{\sqrt2},\frac t{\sqrt2})를 지나 t\displaystyle t축에 수직으로 자른 절단면의 넓이를 S(t)\displaystyle S(t)라 두면 부피 V\displaystyle VV=02S(t)dt\displaystyle V=\int_0^{\sqrt2}S(t)\,dt이다. 여기서 S(t)\displaystyle S(t)는 중심이 P\displaystyle P인 원의 넓이이고 이 원의 반지름 r\displaystyle r이라 하자.(풀이1) P\displaystyle P를 지나고 기울기가 1\displaystyle -1인 직선이 포물선 y=x2\displaystyle y=x^2과 만나는 점의 좌표를 (s,s2)\displaystyle (s,s^2)이라 두면 t2s2t2s=1\displaystyle \frac{\frac t{\sqrt2}-s^2}{\frac t{\sqrt2}-s}=-1로부터 s2+s=2t\displaystyle s^2+s=\sqrt2t를 얻고r2=(t2s2)2+(t2s)2=t22(s2+s)t+s4+s2\displaystyle r^2=\left(\frac t{\sqrt2}-s^2\right)^2+\left(\frac t{\sqrt2}-s\right)^2=t^2-\sqrt2(s^2+s)t+s^4+s^2을 얻는다. 따라서V=02S(t)dt=02πr2dt=π02{t22(s2+s)t+s4+s2}dt\displaystyle V=\int_0^{\sqrt2}S(t)\,dt=\int_0^{\sqrt2}\pi r^2\,dt=\pi\int_0^{\sqrt2}\{t^2-\sqrt2(s^2+s)t+s^4+s^2\}\,dt이다.

+10점 · 그 후, 적분을 계산한다.

여기서 t=12(s2+s)\displaystyle t=\frac1{\sqrt2}(s^2+s)로 치환하면 s0\displaystyle s\ge0이므로 t=0\displaystyle t=0일 때 s=0\displaystyle s=0이고 t=2\displaystyle t=\sqrt2일 때, s=1\displaystyle s=1이다. 또한 dt=12(2s+1)ds\displaystyle dt=\frac1{\sqrt2}(2s+1)ds이다. 이들을 위의 식에 대입하여 정리하면 다음을 얻는다.V=π01{(12(s2+s))22(s2+s)(12(s2+s))+s4+s2}{12(2s+1)ds}=π2201(2s53s4+s2)ds=2π60\displaystyle \begin{aligned} V&=\pi\int_0^1\left\{\left(\frac1{\sqrt2}(s^2+s)\right)^2-\sqrt2(s^2+s)\left(\frac1{\sqrt2}(s^2+s)\right)+s^4+s^2\right\}\left\{\frac1{\sqrt2}(2s+1)ds\right\}\\ &=\frac\pi{2\sqrt2}\int_0^1(2s^5-3s^4+s^2)\,ds=\frac{\sqrt2\pi}{60} \end{aligned}.

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