수리논술, 이게 다다.

자연계열 A 2번

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문제

제시문 2

(가) 반지름의 길이가 r\displaystyle r이고 중심각의 크기가 θ\displaystyle \theta인 부채꼴의 넓이는 S=12r2θ\displaystyle S=\frac12r^2\theta이다.

(나) 그림에서 두 원의 반지름의 길이는 1이고 중심 사이의 거리는 x\displaystyle x이다. 두 원 내부의 공통 부분의 넓이를 A(x)\displaystyle A(x)라고 하자.

중심 사이의 거리가 x인 두 원

[문제 2] (나)에서 정적분 ∫02A(x)dx\displaystyle \int_0^2A(x)dx의 값을 구하고 풀이 과정을 쓰시오. [15점]

해설강의 준비중

[문제 2번] 답: 83\displaystyle \frac83

두 원의 중심 A, B와 교점 C, D

[풀이] 두 원의 중심을 A, B라 하고 두 원의 교점을 C, D라 하자. 각 CAB의 크기를 θ\displaystyle \theta라 하자.부채꼴 CAD의 넓이는 12⋅12⋅(2θ)=θ\displaystyle \frac12\cdot1^2\cdot(2\theta)=\theta, 삼각형 CAD의 넓이는 12⋅12⋅sin⁡(2θ)=sin⁡2θ2\displaystyle \frac12\cdot1^2\cdot\sin(2\theta)=\frac{\sin2\theta}2이다.공통부분의 넓이는 부채꼴 CAD의 넓이에서 삼각형 CAD의 넓이를 뺀 것의 2배이므로A(x)=2(θ−sin⁡2θ2)=2θ−sin⁡2θ\displaystyle A(x)=2\left(\theta-\frac{\sin2\theta}2\right)=2\theta-\sin2\theta.x=2cos⁡θ\displaystyle x=2\cos\theta이므로 dx=−2sin⁡θ dθ\displaystyle dx=-2\sin\theta\,d\theta이다. x=0\displaystyle x=0일 때 θ=π2\displaystyle \theta=\frac\pi2이고 x=2\displaystyle x=2일 때 θ=0\displaystyle \theta=0이므로∫02A(x)dx=∫022θ−sin⁡2θ dx=∫π20(2θ−sin⁡2θ)(−2sin⁡θ)dθ\displaystyle \int_0^2A(x)dx=\int_0^2 2\theta-\sin2\theta\,dx=\int_{\frac\pi2}^0(2\theta-\sin2\theta)(-2\sin\theta)d\theta=∫0π2(2θ−2sin⁡θcos⁡θ)(2sin⁡θ)dθ\displaystyle =\int_0^{\frac\pi2}(2\theta-2\sin\theta\cos\theta)(2\sin\theta)d\theta=∫0π24θsin⁡θ−4sin⁡2θcos⁡θ dθ\displaystyle =\int_0^{\frac\pi2}4\theta\sin\theta-4\sin^2\theta\cos\theta\,d\theta=[−4θcos⁡θ+4sin⁡θ−43sin⁡3θ]0π2=0+4−43=83\displaystyle =\Biggl[-4\theta\cos\theta+4\sin\theta-\frac43\sin^3\theta\Biggr]_0^{\frac\pi2}=0+4-\frac43=\frac83위 계산에서는 다음 부분적분 및 치환적분이 사용되었다.∫θsin⁡θ dθ=−θcos⁡θ+∫cos⁡θ dθ=−θcos⁡θ+sin⁡θ+C\displaystyle \int\theta\sin\theta\,d\theta=-\theta\cos\theta+\int\cos\theta\,d\theta=-\theta\cos\theta+\sin\theta+C∫sin⁡2θcos⁡θ dθ=13sin⁡3θ+C\displaystyle \int\sin^2\theta\cos\theta\,d\theta=\frac13\sin^3\theta+C

하위 문항채점 기준배점
2A+: 정답과 풀이가 맞음. A: 풀이가 모두 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음. B+: B와 더불어 정적분 계산을 수행함. B: C와 더불어 정적분을 θ\displaystyle \theta에 대한 적분으로 표현함. C: A(x)\displaystyle A(x)를 θ\displaystyle \theta의 함수로 표현함. D: 부채꼴 또는 삼각형의 넓이를 모두 구함. E: 풀이와 관계있는 의미있는 시도를 함. F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.15

※ 하위 문항이 있는 경우 칸을 나누어 채점 기준을 작성함.

※ 채점 기준은 문항의 출제의도에 대한 평가를 위한 것이어야 함.

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