수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의·약학계 2번

문제

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해설강의 준비중
+6점 · f(θ)\displaystyle f(\theta)θ\displaystyle \theta의 함수로 계산할 수 있다.

논제 Ⅱ-1OAD=ADO=θ\displaystyle \angle\mathrm{OAD}=\angle\mathrm{ADO}=\theta이므로, BOD=2θ\displaystyle \angle\mathrm{BOD}=2\theta이고, AOD=π2θ\displaystyle \angle\mathrm{AOD}=\pi-2\theta이다.영역 S1\displaystyle S_1의 넓이는 (부채꼴 AOD의 넓이)−(삼각형 AOD의 넓이)가 되기 때문에,12(π2θ)12sin(π2θ)=12πθ12sin2θ\displaystyle \frac12(\pi-2\theta)-\frac12\sin(\pi-2\theta)=\frac12\pi-\theta-\frac12\sin2\theta이다. 영역 S2\displaystyle S_2의 넓이는 (삼각형 ABC의 넓이)−(삼각형 AOD의 넓이)−(부채꼴 BOD의 넓이)가 되기 때문에,12×2×2tanθ12sin(π2θ)12×2θ=2tanθ12sin2θθ\displaystyle \frac12\times2\times2\tan\theta-\frac12\sin(\pi-2\theta)-\frac12\times2\theta=2\tan\theta-\frac12\sin2\theta-\theta이다. 따라서, f(θ)=2tanθsin2θ2θ+12π\displaystyle f(\theta)=2\tan\theta-\sin2\theta-2\theta+\frac12\pi 이다.

+8점 · 삼각함수의 덧셈정리를 활용하여 f(θ)=0\displaystyle f^{\prime}(\theta)=0을 계산할 수 있다.

이때, f(θ)=2sec2θ2cos2θ2\displaystyle f^{\prime}(\theta)=2\sec^2\theta-2\cos2\theta-2가 되는데, 제시문[나]에 의해cos2θ=cos(θ+θ)=cos2θsin2θ=cos2θ(1cos2θ)=2cos2θ1\displaystyle \cos2\theta=\cos(\theta+\theta)=\cos^2\theta-\sin^2\theta=\cos^2\theta-(1-\cos^2\theta)=2\cos^2\theta-1이므로, 다음과 같이 f(θ)\displaystyle f^{\prime}(\theta)를 다음과 같이 계산할 수 있다.f(θ)=2sec2θ2cos2θ2=2cos2θ4cos2θ=2(12cos4θ)cos2θ\displaystyle f^{\prime}(\theta)=2\sec^2\theta-2\cos2\theta-2=\frac2{\cos^2\theta}-4\cos^2\theta=\frac{2(1-2\cos^4\theta)}{\cos^2\theta}가 되고, 12cos4θ=(1+2cos2θ)(1+24cosθ)(124cosθ)\displaystyle 1-2\cos^4\theta=(1+\sqrt2\cos^2\theta)(1+\sqrt[4]2\cos\theta)(1-\sqrt[4]2\cos\theta)이므로, f(θ)=0\displaystyle f^{\prime}(\theta)=0이 되는 θ\displaystyle \theta (단, π6θπ4)\displaystyle \left(\text{단, }\frac\pi6\le\theta\le\frac\pi4\right)θ0\displaystyle \theta_0이라 하면, cosθ0=124\displaystyle \cos\theta_0=\frac1{\sqrt[4]2}이다.

+6점 · 증감표를 이용해서 f(θ)\displaystyle f(\theta)가 최댓값과 최솟값을 갖는 경우를 계산할 수 있다.

이때, cosπ6>cosθ0>cosπ4\displaystyle \cos\frac\pi6>\cos\theta_0>\cos\frac\pi4이므로, π6<θ0<π4\displaystyle \frac\pi6<\theta_0<\frac\pi4이다. 제시문[다]를 이용하면, θ<θ0\displaystyle \theta<\theta_0이면, f(θ)<0\displaystyle f^{\prime}(\theta)<0이므로 감소하고, θ>θ0\displaystyle \theta>\theta_0이면, f(θ)>0\displaystyle f^{\prime}(\theta)>0이므로 증가한다. 따라서, 다음 증감표를 이용하면, f(θ)\displaystyle f(\theta)θ=θ0\displaystyle \theta=\theta_0에서 극솟값을 갖기 때문에 최솟값이 된다.

θ\displaystyle \thetaπ6\displaystyle \frac\pi6θ0\displaystyle \theta_0π4\displaystyle \frac\pi4
f(θ)\displaystyle f^{\prime}(\theta)0++
f(θ)\displaystyle f(\theta)

한편, f(π6)=36+π6\displaystyle f\left(\frac\pi6\right)=\frac{\sqrt3}6+\frac\pi6이고, f(π4)=1\displaystyle f\left(\frac\pi4\right)=1이므로, f(π6)<f(π4)\displaystyle f\left(\frac\pi6\right)<f\left(\frac\pi4\right)가 되어, f(θ)\displaystyle f(\theta)θ=π4\displaystyle \theta=\frac\pi4에서 최댓값을 갖는다. 따라서, α=π4\displaystyle \alpha=\frac\pi4이고, β=θ0\displaystyle \beta=\theta_0이 되어,cos4α+sin2β=(12)4+1cos2θ0=14+112=5422\displaystyle \cos^4\alpha+\sin^2\beta=\left(\frac1{\sqrt2}\right)^4+1-\cos^2\theta_0=\frac14+1-\frac1{\sqrt2}=\frac54-\frac{\sqrt2}2이다.

+6점 · 제시문에 있는 식을 이용하여 부정적분을 계산할 수 있다.

논제 Ⅱ-2f(θ)=2tanθsin2θ2θ+12π\displaystyle f(\theta)=2\tan\theta-\sin2\theta-2\theta+\frac12\pi이고, α=π4\displaystyle \alpha=\frac\pi4이고, β=θ0\displaystyle \beta=\theta_0이다. 따라서,I=αβ(f(θ)+2θ12π)dθ=π/4θ0(2tanθsin2θ)dθ\displaystyle I=\int_\alpha^\beta\left(f(\theta)+2\theta-\frac12\pi\right)d\theta=\int_{\pi/4}^{\theta_0}(2\tan\theta-\sin2\theta)d\theta이다. 이때, 제시문[라]를 이용하면,tanθdθ=sinθcosθdθ=(cosθ)cosθdθ=lncosθ+C\displaystyle \int\tan\theta\,d\theta=\int\frac{\sin\theta}{\cos\theta}\,d\theta=-\int\frac{(\cos\theta)^{\prime}}{\cos\theta}\,d\theta=-\ln|\cos\theta|+C가 된다. 따라서, 2tanθsin2θ\displaystyle 2\tan\theta-\sin2\theta의 부정적분인 F(θ)=2lncosθ+12cos2θ\displaystyle F(\theta)=-2\ln|\cos\theta|+\frac12\cos2\theta가 되어, I=F(θ0)F(π4)\displaystyle I=F(\theta_0)-F\left(\frac\pi4\right)이다.

+6점 · 정적분 값을 정확히 계산할 수 있다.

cosθ0=124\displaystyle \cos\theta_0=\frac1{\sqrt[4]2}이므로,F(θ0)=2lncosθ0+12cos2θ0=2ln124+12(2×121)=12ln2+2212\displaystyle F(\theta_0)=-2\ln\cos\theta_0+\frac12\cos2\theta_0=-2\ln\frac1{\sqrt[4]2}+\frac12\left(2\times\frac1{\sqrt2}-1\right)=\frac12\ln2+\frac{\sqrt2}2-\frac12이다.F(π4)=2ln12=ln2\displaystyle F\left(\frac\pi4\right)=-2\ln\frac1{\sqrt2}=\ln2이므로, I=F(θ0)F(π4)=12ln2+2212\displaystyle I=F(\theta_0)-F\left(\frac\pi4\right)=-\frac12\ln2+\frac{\sqrt2}2-\frac12가 되어,a=12, b=12, c=12\displaystyle a=-\frac12,\ b=\frac12,\ c=-\frac12가 된다.

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