수리논술, 이게 다다.

자연계열 (토요일) 1번

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문제

[가] 함수 f(x)\displaystyle f ( x )에서 x\displaystyle x의 값이 a\displaystyle a보다 큰 값을 가지면서 a\displaystyle a에 한없이 가까워질 때, f(x)\displaystyle f ( x )의 값이 일정한 수 α\displaystyle \alpha에 한없이 가까워지면 α\displaystyle \alpha를 x=a\displaystyle x = a에서의 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 우극한이라 하며, 기호로 lim⁡x→a+f(x)=α\displaystyle \lim_{x \to a +} {f ( x )} = \alpha와 같이 나타낸다. 또, x\displaystyle x가 a\displaystyle a보다 작은 값을 가지면서 a\displaystyle a에 한없이 가까워질 때, f(x)\displaystyle f ( x )의 값이 일정한 수 β\displaystyle \beta에 한없이 가까워지면 β\displaystyle \beta를 x=a\displaystyle x = a에서의 함수 f(x)\displaystyle f ( x )의 좌극한이라 하며, 기호로 lim⁡x→a−f(x)=β\displaystyle \lim_{x \to a -} {f ( x )} = \beta와 같이 나타낸다.[나] 함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)가 x=a\displaystyle x=a에서 미분가능할 때, 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x) 위의 점 (a,f(a))\displaystyle (a,f(a))에서의 접선의 방정식은y−f(a)=f′(a)(x−a)\displaystyle y-f(a)=f^{\prime}(a)(x-a)[다] 구간 [a,b]\displaystyle \left[ a , b \right]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 \left[ \alpha , \beta \right]에서 연속이고 a=g(α)\displaystyle a = g ( \alpha ), b=g(β)\displaystyle b = g ( \beta )이면∫abf(x)dx=∫αβf(g(t))g′(t)dt\displaystyle \int_{a}^{b} {f ( x ) d x} = \int_{\alpha}^{\beta} {f ( g ( t ) ) g^{\prime} ( t ) d t}[라] 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]의 임의의 점 x\displaystyle x에서 x\displaystyle x축에 수직인 평면으로 자를 때 생기는 단면의 넓이가 S(x)\displaystyle S(x)인 입체도형의 부피 V\displaystyle V는V=∫abS(x)dx\displaystyle V = \int_{a}^{b} {S ( x ) d x} (단, S(x)\displaystyle S ( x )는 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle \left[ a , b \right]에서 연속)[마] 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f ( x )에 대하여 f′(a)=0\displaystyle f^{\prime} ( a ) = 0일 때, x=a\displaystyle x = a의 좌우에서 f′(x)\displaystyle f^{\prime} ( x )의 부호가 양에서 음으로 바뀌면 f(x)\displaystyle f ( x )는 x=a\displaystyle x = a에서 극대이고, 극댓값 f(a)\displaystyle f ( a )를 가진다.

[논제 Ⅰ] 제시문 [가] ~ [마]를 읽고 다음 질문에 답하시오.

그림과 같이 원 S2\displaystyle S_{2}는 원 S1:x2+y2=r2(r>0)\displaystyle S_{1} : x^{2} + y^{2} = r^{2} ( r > 0 )의 내부에서 x\displaystyle x축과 접하고, 제 1\displaystyle 1사분면 위의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서 원 S1\displaystyle S_{1}과 접한다. 원 S2\displaystyle S_{2}의 중심을 C\displaystyle \mathrm{C}라 하고 점 C\displaystyle \mathrm{C}에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 Q\displaystyle \mathrm{Q}라 하자. (단, O\displaystyle \mathrm{O}는 원점)

원 S₁과 내부에서 접하는 원 S₂, 점 P, C, Q

[논제 Ⅰ-1]r=1\displaystyle r = 1일 때 원 S1\displaystyle S_{1}위의 점 P(32,12)\displaystyle \mathrm{P} \left( \frac{{\sqrt{3}}}{2} , \frac{{1}}{2} \right)에서의 접선을 l\displaystyle l이라 하자. 접선 l\displaystyle l이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 D\displaystyle D라 할 때, 두 점 C\displaystyle C와 D\displaystyle D를 지나는 직선의 방정식을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (6점)

[논제 Ⅰ-2](1) 0<a<r\displaystyle 0 < a < r인 점 P(a,r2−a2)\displaystyle \mathrm{P} \left( a , \sqrt{r^{2} - a^{2}} \right)에 대하여, 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 x\displaystyle x좌표와 y\displaystyle y좌표를 a\displaystyle a에 관한 함수 g(a)\displaystyle g ( a )와 h(a)\displaystyle h ( a )로 각각 나타내고, 그 근거를 논술하시오. (10점)

(2) 극한값 lim⁡a→0+g(a), lim⁡a→0+h(a), lim⁡a→r−g(a), lim⁡a→r−h(a)\displaystyle \lim_{a\to0+}g(a),\ \lim_{a\to0+}h(a),\ \lim_{a\to r-}g(a),\ \lim_{a\to r-}h(a)를 구하고, 그 근거를 논술하시오. (4점)

[논제 Ⅰ-3]점 C\displaystyle \mathrm{C}가 그리는 곡선과 x\displaystyle x축 그리고 y\displaystyle y축으로 둘러싸인 영역 A\displaystyle \mathrm{A}의 넓이를 α(r)\displaystyle \alpha ( r )이라 하자. 영역 A\displaystyle \mathrm{A}의 내부에 있고 각 변이 x\displaystyle x축 또는 y\displaystyle y축에 평행한 직사각형의 넓이의 최댓값을 β(r)\displaystyle \beta ( r )이라 할 때, α(r)\displaystyle \alpha ( r )과 β(r)\displaystyle \beta ( r )을 각각 구하고, 그 근거를 논술하시오. (15점)Comment. 이 문제의 ‘내부’는 경계까지 포함하는 뜻으로 보아야 한다. 경계를 제외하면 직사각형 넓이의 최댓값은 존재하지 않는다.

[논제 Ⅰ-4](1) 삼각형 CPQ\displaystyle \mathrm{CPQ}를 밑면으로 하고 높이가 선분 OC\displaystyle \mathrm{OC}의 길이와 같은 삼각기둥을 만들었을 때, 이 삼각기둥의 부피의 최댓값을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (10점)

(2)r≥2\displaystyle r \ge 2이고 0<x<r\displaystyle 0 < x < r일 때, 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표가 (x,0)\displaystyle ( x , 0 )인 삼각형 CPQ\displaystyle \mathrm{CPQ}의 넓이를 S(x)\displaystyle S ( x )라 하자. 닫힌 구간 [1r,2r]\displaystyle \left[ \frac{{1}}{\sqrt{r}} , \sqrt{\frac{{2}}{r}} \right]의 임의의 점 x\displaystyle x에서 x\displaystyle x축에 수직인 평면으로 자른 단면의 넓이가 S(x)\displaystyle S ( x )인 입체도형의 부피가 V(r)\displaystyle V ( r )일 때, 극한값 lim⁡r→∞V(r)\displaystyle \lim_{r \to \infty} {V ( r )}을 구하고, 그 근거를 논술하시오. (15점)

해설강의 준비중
+2점 · 제시문[나]를 이용하여 접선 l\displaystyle l의 방정식과 점 D를 구한다.

[논제 Ⅰ-1]점 P\displaystyle \mathrm{P}는 함수 f(x)=1−x2\displaystyle f ( x ) = \sqrt{1 - x^{2}} (0<x<1)\displaystyle \left( 0 < x < 1 \right)의 그래프 위의 점이고, f′(x)=−x1−x2\displaystyle f^{\prime} ( x ) = - \frac{x}{\sqrt{1 - x^{2}}}이다. 접선 l\displaystyle l은 기울기가 f′(32)=−3\displaystyle f^{\prime} \left( \frac{\sqrt{3}}{2} \right) = - \sqrt{3}, 점 P(32,12)\displaystyle \mathrm{P} \left( \frac{\sqrt{3}}{2} , \frac{1}{2} \right)을 지나는 직선 y=−3x+2\displaystyle y = - \sqrt{3} x + 2이다. 따라서 점 D\displaystyle \mathrm{D}의 좌표는 (233,0)\displaystyle \left( \frac{{2 \sqrt{3}}}{3} , 0 \right)이다.

+4점 · 도형들 사이의 관계를 이용하여 ∠CDQ\displaystyle \angle CDQ을 구하고, 직선의 방정식을 구한다.

△CPD\displaystyle \triangle \mathrm{CPD}, △CQD\displaystyle \triangle \mathrm{CQD}, △OPD\displaystyle \triangle \mathrm{OPD}를 생각하자. △CPD\displaystyle \triangle \mathrm{CPD}와 △CQD\displaystyle \triangle \mathrm{CQD}는 합동인 직각삼각형이므로 선분 CD\displaystyle \mathrm{CD}는 ∠PDO\displaystyle \angle \mathrm{PDO}의 이등분선 위에 있다. 직선 l\displaystyle l의 기울기가 −3\displaystyle - \sqrt{3}이므로, △OPD\displaystyle \triangle \mathrm{OPD}에서 ∠PDO=π3\displaystyle \angle \mathrm{PDO} = \frac{\pi}{3}이고 따라서 ∠CDQ=π6\displaystyle \angle \mathrm{CDQ} = \frac{\pi}{6}이다. 그러므로 두 점 C\displaystyle \mathrm{C}와 D\displaystyle \mathrm{D}를 지나는 직선은 기울기가 −tan⁡π6=−33\displaystyle - \tan \frac{\pi}{6} = - \frac{\sqrt{3}}{3}, 점 D(233,0)\displaystyle \mathrm{D} \left( \frac{{2 \sqrt{3}}}{3} , 0 \right)을 지나는 직선 y=−33x+23\displaystyle y = - \frac{\sqrt{3}}{3} x + \frac{2}{3}이다.

+3점 · C가 점 P에서의 접선과 수직인 직선위에 있음을 이용하여 관계식을 세운다.

[논제 Ⅰ-2](1) 점 P\displaystyle \mathrm{P}는 함수 f(x)=r2−x2\displaystyle f ( x ) = \sqrt{r^{2} - x^{2}} (0<x<r)\displaystyle \left( 0 < x < r \right)의 그래프 위의 점이고, f′(x)=−xr2−x2\displaystyle f^{\prime} ( x ) = - \frac{x}{\sqrt{r^{2} - x^{2}}}이므로 점 P(a,r2−a2)\displaystyle {\mathrm{P}} ( a , \sqrt{r^{2} - a^{2}} ) (0<a<r)\displaystyle \left( 0 < a < r \right)에서 원 S1\displaystyle S_{1}에 접하는 접선 l\displaystyle l의 기울기는 f′(a)=−ar2−a2\displaystyle f^{\prime} ( a ) = - \frac{a}{\sqrt{r^{2} - a^{2}}}이다.따라서 원 S2\displaystyle S_{2}의 중심 C\displaystyle \mathrm{C}는 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서 l\displaystyle l에 수직인 직선 y=r2−a2ax\displaystyle y = \frac{{\sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a} x 위에 있으며, CP‾=CQ‾\displaystyle \overline{\mathrm{CP}} = \overline{\mathrm{CQ}}인 점이다. 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표를 (x,r2−a2ax)\displaystyle \left( x , \frac{{\sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a} x \right) (0<x<a)\displaystyle \left( 0 < x < a \right)라 하면,

+7점 · CP‾=CQ‾\displaystyle \overline{CP}=\overline{CQ}를 이용하여 g(a)\displaystyle g(a)와 h(a)\displaystyle h(a)를 구한다.

CP‾2=(x−a)2+(r2−a2ax−r2−a2)2\displaystyle {\overline{\mathrm{CP}}}^{2} = ( x - a )^{2} + \left( \frac{{\sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a} x - \sqrt{r^{2} - a^{2}} \right)^{2}, CQ‾2=r2−a2a2x2\displaystyle {\overline{\mathrm{CQ}}}^{2} = \frac{{r^{2} - a^{2}}}{a^{2}} x^{2}이다. CP‾2=CQ‾2\displaystyle {\overline{\mathrm{CP}}}^{2} = {\overline{\mathrm{CQ}}}^{2}이므로 x2−2r2ax+r2=0\displaystyle x^{2} - 2 \frac{r^{2}}{a} x + r^{2} = 0이고, x=r2+rr2−a2a\displaystyle x = \frac{{r^{2} + r \sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a} 또는 x=r2−rr2−a2a\displaystyle x = \frac{{r^{2} - r \sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a}이다. 0<x<a\displaystyle 0 < x < a이므로 x=r2−rr2−a2a\displaystyle x = \frac{{r^{2} - r \sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a}이다.따라서 g(a)=r2−rr2−a2a\displaystyle g ( a ) = \frac{{r^{2} - r \sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a}, h(a)=(r2−a2a)(r2−rr2−a2a)\displaystyle h ( a ) = \left( \frac{{\sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a} \right) \left( \frac{{r^{2} - r \sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a} \right)이다.

+4점 · g(a)\displaystyle g(a)와 h(a)\displaystyle h(a)와 제시문[가]를 이용하여 극한을 구한다.

(2) 극한값을 구하면lim⁡a→0+g(a)=lim⁡a→0+r2−rr2−a2a=lim⁡a→0+ra(r−r2−a2)=lim⁡a→0+raa2r+r2−a2=0\displaystyle \lim_{a\to0+}g(a)=\lim_{a\to0+}\frac{r^2-r\sqrt{r^2-a^2}}a=\lim_{a\to0+}\frac ra(r-\sqrt{r^2-a^2})=\lim_{a\to0+}\frac ra\frac{a^2}{r+\sqrt{r^2-a^2}}=0lim⁡a→0+h(a)=lim⁡a→0+rr2−a2(r−r2−a2)a2=lim⁡a→0+rr2−a2a2(a2r+r2−a2)=lim⁡a→0+rr2−a2r+r2−a2=r2\displaystyle \lim_{a \to 0 +} h ( a ) = \lim_{a \to 0 +} \frac{{r \sqrt{r^{2} - a^{2}} ( r - \sqrt{r^{2} - a^{2}} )}}{a^{2}}= \lim_{a \to 0 +} \frac{{r \sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a^{2}} \left( \frac{a^{2}}{r + \sqrt{r^{2} - a^{2}}} \right)= \lim_{a \to 0 +} \frac{{r \sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{r + \sqrt{r^{2} - a^{2}}} = \frac{r}{2}lim⁡a→r−g(a)=lim⁡a→r−r2−rr2−a2a=r\displaystyle \lim_{a \to r -} g ( a ) = \lim_{a \to r -} \frac{{r^{2} - r \sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a} = rlim⁡a→r−h(a)=lim⁡a→r−rr2−a2(r−r2−a2)a2=0\displaystyle \lim_{a \to r -} h ( a ) = \lim_{a \to r -} \frac{{r \sqrt{r^{2} - a^{2}} ( r - \sqrt{r^{2} - a^{2}} )}}{a^{2}} = 0

+7점 · [논제 I-2]의 결과를 이용하여 x\displaystyle x와 y\displaystyle y의 관계식을 구한다.

[논제 Ⅰ-3][논제 Ⅰ-2] (1)에 의해, 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표를 (x,y)\displaystyle \left( x , y \right)라 하면 0<a<r\displaystyle 0 < a < r인 경우, x=r2−rr2−a2a\displaystyle x = \frac{{r^{2} - r \sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a}이고, 이때 x\displaystyle x의 범위는 0<x<r\displaystyle 0 < x < r이다. 여기서 x2−2r2ax+r2=0\displaystyle x^{2} - 2 \frac{r^{2}}{a} x + r^{2} = 0이므로,a=2r2xr2+x2\displaystyle a = \frac{{2 r^{2} x}}{r^{2} + x^{2}} (0<x<r)⋯\displaystyle \left( 0 < x < r \right)\cdots①이다. 마찬가지로, [논제 Ⅰ-2] (1)에 의해,y=(r2−a2a)(r2−rr2−a2a)=r2−a2ax⋯\displaystyle y = \left( \frac{{\sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a} \right) \left( \frac{{r^{2} - r \sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a} \right)= \frac{{\sqrt{r^{2} - a^{2}}}}{a} x\cdots②이므로 ①, ②에 의해 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표 (x,y)\displaystyle \left( x , y \right)는 0<x<r\displaystyle 0 < x < r에서 식 y=r2−x22r\displaystyle y = \frac{r^2-x^2}{2r}을 만족한다.

+8점 · 미분과 적분의 성질을 이용하여 α(r)\displaystyle \alpha(r)와 β(r)\displaystyle \beta(r)를 구한다.

따라서 영역 A\displaystyle \mathrm{A}의 넓이는 α(r)=∫0rr2−x22rdx=r23\displaystyle \alpha ( r ) = \int_{0}^{r} \frac{r^2-x^2}{2r} d x = \frac{r^{2}}{3}이다.영역 A\displaystyle \mathrm{A}의 내부에서 두변이 각각 x\displaystyle x축과 y\displaystyle y축에 평행한 직사각형의 넓이가 최대가 되는 경우, 직사각형의 두변은 각각 x\displaystyle x축과 y\displaystyle y축 위에 있고, 한 꼭짓점은 점 C\displaystyle \mathrm{C}가 그리는 곡선 위에 있다. 점 C\displaystyle \mathrm{C}의 좌표가 (x,r2−x22r)\displaystyle \left( x , \frac{r^2-x^2}{2r} \right) (0<x<r)\displaystyle \left( 0 < x < r \right)일 때 직사각형의 넓이를 f(x)\displaystyle f ( x )라 하면, f(x)=x×r2−x22r\displaystyle f ( x ) = x \times \frac{r^2-x^2}{2r}이고 f′(x)=r2−3x22r\displaystyle f^{\prime} ( x ) = \frac{r}{2} - \frac{3x^2}{2r}이다. f′(x)=0\displaystyle f^{\prime} ( x ) = 0인 x=±r3\displaystyle x = \pm \frac{r}{\sqrt{3}}에서 0<x<r\displaystyle 0 < x < r인 것은 x=r3\displaystyle x = \frac{r}{\sqrt{3}}이다. 0<x<r3\displaystyle 0 < x < \frac{r}{\sqrt{3}}에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime} ( x ) > 0이고, r3<x<r\displaystyle \frac{r}{\sqrt{3}} < x < r에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime} ( x ) < 0이므로 제시문 [마]에 의해 f(x)\displaystyle f ( x )는 x=3r3\displaystyle x = \frac{{\sqrt{3} r}}{3}에서 최댓값 3r29\displaystyle \frac{{\sqrt{3} r^{2}}}{9}을 가진다. 따라서 β(r)=3r29\displaystyle \beta ( r ) = \frac{{\sqrt{3} r^{2}}}{9}이다.

+6점 · 점 C, P, Q의 좌표를 x\displaystyle x에 관한 식으로 표현하여 삼각기둥의 부피를 구한다.

[논제 Ⅰ-4](1) 0<x<r\displaystyle 0 < x < r인 x\displaystyle x에 대하여 C(x,r2−x22r)\displaystyle {\mathrm{C}} \left( x , \frac{r^2-x^2}{2r} \right), P(a,r2−a2)\displaystyle {\mathrm{P}} \left( a , \sqrt{r^{2} - a^{2}} \right), Q(x,0)\displaystyle {\mathrm{Q}} \left( x , 0 \right)이고, [논제 Ⅰ-3]의 식 ①로부터 P(2r2xr2+x2,r(r2−x2)r2+x2)\displaystyle {\mathrm{P}} \left( \frac{{2 r^{2} x}}{r^{2} + x^{2}} , \frac{{r ( r^{2} - x^{2} )}}{r^{2} + x^{2}} \right)이다.(△CPQ\displaystyle \triangle \mathrm{CPQ}의 넓이)=\displaystyle =(△OPQ\displaystyle \triangle \mathrm{OPQ}의 넓이)−\displaystyle -(△OCQ\displaystyle \triangle \mathrm{OCQ}의 넓이)=12×x×r(r2−x2)r2+x2−12×x×r2−x22r\displaystyle = \frac{1}{2} \times x \times \frac{{r ( r^{2} - x^{2} )}}{r^{2} + x^{2}} - \frac{1}{2} \times x \times \frac{r^2-x^2}{2r},따라서 △CPQ\displaystyle \triangle \mathrm{CPQ}의 넓이는 x(r2−x2)24r(r2+x2)\displaystyle \frac{{x ( r^{2} - x^{2} )^{2}}}{4 r ( r^{2} + x^{2} )}이다. OC‾=x2+(r2−x22r)2=r2+x22r\displaystyle {\overline{\mathrm{OC}}} = \sqrt{x^{2} + \left( \frac{r^2-x^2}{2r} \right)^{2}} = \frac{r^2+x^2}{2r}이므로,삼각기둥의 부피는 x(r2−x2)24r(r2+x2)×r2+x22r=x(r2−x2)28r2\displaystyle \frac{{x ( r^{2} - x^{2} )^{2}}}{4 r ( r^{2} + x^{2} )} \times \frac{r^2+x^2}{2r} = \frac{x(r^2-x^2)^2}{8r^2}이다.

+4점 · 미분의 성질을 이용하여 부피의 최댓값을 구한다.

삼각기둥의 부피를 f(x)\displaystyle f ( x )라 하면 f′(x)=(5x+r)(5x−r)(x+r)(x−r)8r2\displaystyle f^{\prime} ( x ) = \frac{{( \sqrt{5} x + r ) ( \sqrt{5} x - r ) ( x + r ) ( x - r )}}{8 r^{2}}이고, 0<x<r\displaystyle 0 < x < r에서 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime} ( x ) = 0을 만족하는 x\displaystyle x는 r5\displaystyle \frac{r}{\sqrt{5}}이다. 0<x<r5\displaystyle 0 < x < \frac{r}{\sqrt{5}}에서 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime} ( x ) > 0이고, r5<x<r\displaystyle \frac{r}{\sqrt{5}} < x < r에서 f′(x)<0\displaystyle f^{\prime} ( x ) < 0이므로, 제시문 [마]에 의해 f(x)=x(r2−x2)28r2\displaystyle f ( x ) = \frac{{x ( r^{2} - x^{2} )^{2}}}{8 r^{2}}는 x=r5\displaystyle x = \frac{r}{\sqrt{5}}일 때 최대이고, 부피의 최댓값은 f(r5)=25r3125\displaystyle f \left( \frac{r}{\sqrt{5}} \right) = \frac{{2 \sqrt{5} r^{3}}}{125}이다.

+8점 · 제시문[다]와 [라]를 이용하여 입체도형의 부피를 r\displaystyle r에 관한 식으로 나타낸다.

(2) [논제 Ⅰ-4] (1)에 의해, S(x)=x(r2−x2)24r(r2+x2)\displaystyle S ( x ) = \frac{{x ( r^{2} - x^{2} )^{2}}}{4 r ( r^{2} + x^{2} )}이므로, 제시문 [라]에 의해 입체도형의 부피는 V(r)=∫1r2rx(r2−x2)24r(r2+x2)dx\displaystyle V ( r ) = \int_{\frac{1}{\sqrt{r}}}^{\sqrt{\frac{2}{r}}} \frac{{x ( r^{2} - x^{2} )^{2}}}{4 r ( r^{2} + x^{2} )} d x이다. r2+x2=u\displaystyle r^{2} + x^{2} = u로 놓으면 dudx=2x\displaystyle \frac{du}{dx} = 2 x이고 r2+1r≤u≤r2+2r\displaystyle r^{2} + \frac{1}{r} \le u \le r^{2} + \frac{2}{r}이므로V(r)=∫1r2rx(r2−x2)24r(r2+x2) dx=∫r2+1rr2+2r(2r2−u)28ru du=[r32ln⁡u−r2u+u216r]r2+1rr2+2r\displaystyle \begin{aligned}V(r)&=\int_{\frac1{\sqrt r}}^{\sqrt{\frac2r}}\frac{x(r^2-x^2)^2}{4r(r^2+x^2)}\,dx=\int_{r^2+\frac1r}^{r^2+\frac2r}\frac{(2r^2-u)^2}{8ru}\,du\\&=\Biggl[\frac{r^3}2\ln u-\frac r2u+\frac{u^2}{16r}\Biggr]_{r^2+\frac1r}^{r^2+\frac2r}\end{aligned}=r32ln⁡(1+1r3+1)+316r3−38\displaystyle = \frac{r^{3}}{2} \ln \left( 1 + \frac{1}{r^{3} + 1} \right) + \frac{3}{16 r^{3}} - \frac{3}{8}

+7점 · 치환을 통하여 부피의 극한을 구한다.

t=r3+1\displaystyle t = r^{3} + 1로 놓으면,lim⁡r→∞V(r)=lim⁡r→∞{r32(r3+1)ln⁡(1+1r3+1)r3+1+316r3−38}\displaystyle \lim_{r \to \infty} V ( r ) = \lim_{r \to \infty} \left\{ \frac{r^{3}}{2 ( r^{3} + 1 )} \ln \left( 1 + \frac{1}{r^{3} + 1} \right)^{r^{3} + 1} + \frac{3}{16 r^{3}} - \frac{3}{8} \right\}=lim⁡t→∞{t−12tln⁡(1+1t)t+316(t−1)−38}\displaystyle =\lim_{t\to\infty}\left\{\frac{t-1}{2t}\ln\left(1+\frac1t\right)^t+\frac3{16(t-1)}-\frac38\right\}=18\displaystyle = \frac{1}{8}

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