수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 3번

문제

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해설강의 준비중
+20점 · 삼각함수의 덧셈공식을 사용하여 항등식을 보이면

【3-1】 삼각함수의 덧셈정리에 의해cos(xπ4)=cosxcosπ4+sinxsinπ4=12(sinx+cosx)\displaystyle \cos\left(x-\dfrac\pi4\right)=\cos x\cos\dfrac\pi4+\sin x\sin\dfrac\pi4=\dfrac1{\sqrt2}(\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 n에 대해, In=0π/21(sinx+cosx)ndx\displaystyle I_n=\int_0^{\pi/2}\dfrac1{(\sin x+\cos x)^n}\,dx이라 하면, 3-1과 치환적분에 의해In=0π/21(sinx+cosx)ndx=0π/21(2cos(xπ4))ndx=2n20π/2secn(xπ4)dx=2n2π/4π/4secnxdx\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}이다.2\displaystyle 2보다 큰 정수 n\displaystyle n에 대해, 닫힌구간 [π4,π4]\displaystyle \left[-\dfrac\pi4,\dfrac\pi4\right]에서 두 함수 f(x)=secn2x\displaystyle f(x)=\sec^{n-2}xg(x)=tanx\displaystyle g(x)=\tan x이 미분가능하고 f(x)=(n2)secn2xtanx\displaystyle f^{\prime}(x)=(n-2)\sec^{n-2}x\tan xg(x)=sec2x\displaystyle g^{\prime}(x)=\sec^2x이 연속이므로, 부분적분법과 삼각함수의 성질에 의해In=2n2π/4π/4secnxdx=2n2[secn2xtanx]π/4π/42n2π/4π/4(n2)secn2xtan2xdx=12n2π/4π/4(n2)secnxdx+2n2π/4π/4(n2)secn2xdx=1(n2)In+n22In2\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}이다. 정리하면,In=1n1+n22n2In2\displaystyle I_n=\dfrac1{n-1}+\dfrac{n-2}{2n-2}I_{n-2}이고 I2=21π/4π/4sec2xdx=21[tanx]π/4π/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}=1이다.

+20점 · 정확한 답 83315\displaystyle \dfrac{83}{315}를 구하면

I4=13+I23=23I6=15+2I45=715I8=17+3I67=1235I10=19+4I89=83315\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}따라서 0π/21(sinx+cosx)10dx=83315\displaystyle \int_0^{\pi/2}\dfrac1{(\sin x+\cos x)^{10}}\,dx=\dfrac{83}{315}이다.

+30점 · 치환적분 등을 통해 우함수, 기함수 성질을 사용하여 특정 항이 0임을 보이거나 모범답안과 같은 치환적분을 적용하면 +20점 · 3-2에서 계산한 적분값의 π4\displaystyle \dfrac\pi4배가 된다는 것을 구하면

【3-3】 x=π2t\displaystyle x=\dfrac\pi2-t에 대해, 치환적분법을 적용하면,0π/2x(sinx+cosx)10dx=π/20π2+t(sin(π2t)+cos(π2t))10dt=π/20π2+t(sint+cost)10dt=0π/2π2t(sint+cost)10dt=0π/2π2x(sinx+cosx)10dx=π20π/21(sinx+cosx)10dx0π/2x(sinx+cosx)10dx\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}이다. 따라서 0π/2x(sinx+cosx)10dx=π40π/21(sinx+cosx)10dx=83π1260\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}이다.

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