+20점 · 삼각함수의 덧셈공식을 사용하여 항등식을 보이면 【3-1】 삼각함수의 덧셈정리에 의해 cos ( x − π 4 ) = cos x cos π 4 + sin x sin π 4 = 1 2 ( sin x + cos x ) \displaystyle \cos\left(x-\dfrac\pi4\right)=\cos x\cos\dfrac\pi4+\sin x\sin\dfrac\pi4=\dfrac1{\sqrt2}(\sin x+\cos x) cos ( x − 4 π ) = cos x cos 4 π + sin x sin 4 π = 2 1 ( sin x + cos x ) 이다.
+30점 · 삼각함수의 성질과 치환적분법 혹은 부분적분법을 통해 다항식의 적분 형태로 변형하거나 점화식의 형태로 변형하면 【3-2】 모든 음이 아닌 정수 n \displaystyle n n 에 대해, I n = ∫ 0 π / 2 1 ( sin x + cos x ) n d x \displaystyle I_n=\int_0^{\pi/2}\dfrac1{(\sin x+\cos x)^n}\,dx I n = ∫ 0 π /2 ( sin x + cos x ) n 1 d x 이라 하면, 3-1과 치환적분에 의해 I n = ∫ 0 π / 2 1 ( sin x + cos x ) n d x = ∫ 0 π / 2 1 ( 2 cos ( x − π 4 ) ) n d x = 2 − n 2 ∫ 0 π / 2 sec n ( x − π 4 ) d x = 2 − n 2 ∫ − π / 4 π / 4 sec n x d x \displaystyle \begin{aligned}I_n&=\int_0^{\pi/2}\dfrac1{(\sin x+\cos x)^n}\,dx\\&=\int_0^{\pi/2}\dfrac1{\left(\sqrt2\cos\left(x-\dfrac\pi4\right)\right)^n}\,dx\\&=2^{-\frac n2}\int_0^{\pi/2}\sec^n\left(x-\dfrac\pi4\right)\,dx\\&=2^{-\frac n2}\int_{-\pi/4}^{\pi/4}\sec^nx\,dx\end{aligned} I n = ∫ 0 π /2 ( sin x + cos x ) n 1 d x = ∫ 0 π /2 ( 2 cos ( x − 4 π ) ) n 1 d x = 2 − 2 n ∫ 0 π /2 sec n ( x − 4 π ) d x = 2 − 2 n ∫ − π /4 π /4 sec n x d x 이다. 2 \displaystyle 2 2 보다 큰 정수 n \displaystyle n n 에 대해, 닫힌구간 [ − π 4 , π 4 ] \displaystyle \left[-\dfrac\pi4,\dfrac\pi4\right] [ − 4 π , 4 π ] 에서 두 함수 f ( x ) = sec n − 2 x \displaystyle f(x)=\sec^{n-2}x f ( x ) = sec n − 2 x 와 g ( x ) = tan x \displaystyle g(x)=\tan x g ( x ) = tan x 이 미분가능하고 f ′ ( x ) = ( n − 2 ) sec n − 2 x tan x \displaystyle f^{\prime}(x)=(n-2)\sec^{n-2}x\tan x f ′ ( x ) = ( n − 2 ) sec n − 2 x tan x 와 g ′ ( x ) = sec 2 x \displaystyle g^{\prime}(x)=\sec^2x g ′ ( x ) = sec 2 x 이 연속이므로, 부분적분법과 삼각함수의 성질에 의해I n = 2 − n 2 ∫ − π / 4 π / 4 sec n x d x = 2 − n 2 [ sec n − 2 x tan x ] − π / 4 π / 4 − 2 − n 2 ∫ − π / 4 π / 4 ( n − 2 ) sec n − 2 x tan 2 x d x = 1 − 2 − n 2 ∫ − π / 4 π / 4 ( n − 2 ) sec n x d x + 2 − n 2 ∫ − π / 4 π / 4 ( n − 2 ) sec n − 2 x d x = 1 − ( n − 2 ) I n + n − 2 2 I n − 2 \displaystyle \begin{aligned}I_n&=2^{-\frac n2}\int_{-\pi/4}^{\pi/4}\sec^nx\,dx\\&=2^{-\frac n2}\Biggl[\sec^{n-2}x\tan x\Biggr]_{-\pi/4}^{\pi/4}-2^{-\frac n2}\int_{-\pi/4}^{\pi/4}(n-2)\sec^{n-2}x\tan^2x\,dx\\&=1-2^{-\frac n2}\int_{-\pi/4}^{\pi/4}(n-2)\sec^nx\,dx+2^{-\frac n2}\int_{-\pi/4}^{\pi/4}(n-2)\sec^{n-2}x\,dx\\&=1-(n-2)I_n+\dfrac{n-2}2I_{n-2}\end{aligned} I n = 2 − 2 n ∫ − π /4 π /4 sec n x d x = 2 − 2 n [ sec n − 2 x tan x ] − π /4 π /4 − 2 − 2 n ∫ − π /4 π /4 ( n − 2 ) sec n − 2 x tan 2 x d x = 1 − 2 − 2 n ∫ − π /4 π /4 ( n − 2 ) sec n x d x + 2 − 2 n ∫ − π /4 π /4 ( n − 2 ) sec n − 2 x d x = 1 − ( n − 2 ) I n + 2 n − 2 I n − 2 이다. 정리하면, I n = 1 n − 1 + n − 2 2 n − 2 I n − 2 \displaystyle I_n=\dfrac1{n-1}+\dfrac{n-2}{2n-2}I_{n-2} I n = n − 1 1 + 2 n − 2 n − 2 I n − 2 이고 I 2 = 2 − 1 ∫ − π / 4 π / 4 sec 2 x d x = 2 − 1 [ tan x ] − π / 4 π / 4 = 1 \displaystyle I_2=2^{-1}\int_{-\pi/4}^{\pi/4}\sec^2x\,dx=2^{-1}\Biggl[\tan x\Biggr]_{-\pi/4}^{\pi/4}=1 I 2 = 2 − 1 ∫ − π /4 π /4 sec 2 x d x = 2 − 1 [ tan x ] − π /4 π /4 = 1 이다.
+20점 · 정확한 답 83 315 \displaystyle \dfrac{83}{315} 315 83 를 구하면 I 4 = 1 3 + I 2 3 = 2 3 I 6 = 1 5 + 2 I 4 5 = 7 15 I 8 = 1 7 + 3 I 6 7 = 12 35 I 10 = 1 9 + 4 I 8 9 = 83 315 \displaystyle \begin{aligned}I_4&=\dfrac13+\dfrac{I_2}3=\dfrac23& I_6&=\dfrac15+\dfrac{2I_4}5=\dfrac7{15}\\I_8&=\dfrac17+\dfrac{3I_6}7=\dfrac{12}{35}& I_{10}&=\dfrac19+\dfrac{4I_8}9=\dfrac{83}{315}\end{aligned} I 4 I 8 = 3 1 + 3 I 2 = 3 2 = 7 1 + 7 3 I 6 = 35 12 I 6 I 10 = 5 1 + 5 2 I 4 = 15 7 = 9 1 + 9 4 I 8 = 315 83 따라서 ∫ 0 π / 2 1 ( sin x + cos x ) 10 d x = 83 315 \displaystyle \int_0^{\pi/2}\dfrac1{(\sin x+\cos x)^{10}}\,dx=\dfrac{83}{315} ∫ 0 π /2 ( sin x + cos x ) 10 1 d x = 315 83 이다.
+30점 · 치환적분 등을 통해 우함수, 기함수 성질을 사용하여 특정 항이 0임을 보이거나 모범답안과 같은 치환적분을 적용하면 +20점 · 3-2에서 계산한 적분값의 π 4 \displaystyle \dfrac\pi4 4 π 배가 된다는 것을 구하면 【3-3】 x = π 2 − t \displaystyle x=\dfrac\pi2-t x = 2 π − t 에 대해, 치환적분법을 적용하면, ∫ 0 π / 2 x ( sin x + cos x ) 10 d x = ∫ π / 2 0 − π 2 + t ( sin ( π 2 − t ) + cos ( π 2 − t ) ) 10 d t = ∫ π / 2 0 − π 2 + t ( sin t + cos t ) 10 d t = ∫ 0 π / 2 π 2 − t ( sin t + cos t ) 10 d t = ∫ 0 π / 2 π 2 − x ( sin x + cos x ) 10 d x = π 2 ∫ 0 π / 2 1 ( sin x + cos x ) 10 d x − ∫ 0 π / 2 x ( sin x + cos x ) 10 d x \displaystyle \begin{aligned}&\int_0^{\pi/2}\dfrac{x}{(\sin x+\cos x)^{10}}\,dx\\&=\int_{\pi/2}^0\dfrac{-\dfrac\pi2+t}{\left(\sin\left(\dfrac\pi2-t\right)+\cos\left(\dfrac\pi2-t\right)\right)^{10}}\,dt\\&=\int_{\pi/2}^0\dfrac{-\dfrac\pi2+t}{(\sin t+\cos t)^{10}}\,dt\\&=\int_0^{\pi/2}\dfrac{\dfrac\pi2-t}{(\sin t+\cos t)^{10}}\,dt\\&=\int_0^{\pi/2}\dfrac{\dfrac\pi2-x}{(\sin x+\cos x)^{10}}\,dx\\&=\dfrac\pi2\int_0^{\pi/2}\dfrac1{(\sin x+\cos x)^{10}}\,dx-\int_0^{\pi/2}\dfrac{x}{(\sin x+\cos x)^{10}}\,dx\end{aligned} ∫ 0 π /2 ( sin x + cos x ) 10 x d x = ∫ π /2 0 ( sin ( 2 π − t ) + cos ( 2 π − t ) ) 10 − 2 π + t d t = ∫ π /2 0 ( sin t + cos t ) 10 − 2 π + t d t = ∫ 0 π /2 ( sin t + cos t ) 10 2 π − t d t = ∫ 0 π /2 ( sin x + cos x ) 10 2 π − x d x = 2 π ∫ 0 π /2 ( sin x + cos x ) 10 1 d x − ∫ 0 π /2 ( sin x + cos x ) 10 x d x 이다. 따라서 ∫ 0 π / 2 x ( sin x + cos x ) 10 d x = π 4 ∫ 0 π / 2 1 ( sin x + cos x ) 10 d x = 83 π 1260 \displaystyle \int_0^{\pi/2}\dfrac{x}{(\sin x+\cos x)^{10}}\,dx=\dfrac\pi4\int_0^{\pi/2}\dfrac1{(\sin x+\cos x)^{10}}\,dx=\dfrac{83\pi}{1260} ∫ 0 π /2 ( sin x + cos x ) 10 x d x = 4 π ∫ 0 π /2 ( sin x + cos x ) 10 1 d x = 1260 83 π 이다.