수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 B 1번

문제

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[문제 1번]답: t=12\displaystyle t=\frac12일 때의 R의 넓이는 5π4838\displaystyle \frac{5\pi}{48}-\frac{\sqrt3}8이고,R의 넓이가 최대가 될 때의 t\displaystyle t의 값은 π24π2+4\displaystyle \frac{\pi^2-4}{\pi^2+4}이다.

[풀이]

두 원 위의 점 C, D와 각 θ

A(t,0), B(1,0)\displaystyle \mathrm A(t,0),\ \mathrm B(1,0)이라 하고 x=t\displaystyle x=t가 큰 원 및 작은 원과 만나는 점을 각각 C,D라 하자.각 AOC의 크기를 θ\displaystyle \theta라 하자. 도형 R의 넓이를 f(t)\displaystyle f(t)라 하자.R의 넓이를 적분으로 표현하면f(t)=t11x2dxπ4(1t)2=1t1x2dxπ4(1t)2(1)\displaystyle f(t)=\int_t^1\sqrt{1-x^2}\,dx-\frac\pi4(1-t)^2=-\int_1^t\sqrt{1-x^2}\,dx-\frac\pi4(1-t)^2\quad(1)x=cosθ\displaystyle x=\cos\theta로 치환하여 적분을 풀어서 f(t)=12θ12t1t2π4(1t)2\displaystyle f(t)=\frac12\theta-\frac12t\sqrt{1-t^2}-\frac\pi4(1-t)^2를 얻는다.t=12\displaystyle t=\frac12일 때, θ=π3\displaystyle \theta=\frac\pi3이므로f(12)=12π3121232π414=5π4838\displaystyle f\left(\frac12\right)=\frac12\frac\pi3-\frac12\frac12\frac{\sqrt3}2-\frac\pi4\frac14=\frac{5\pi}{48}-\frac{\sqrt3}8따라서 t=12\displaystyle t=\frac12일 때 R의 넓이는 5π4838\displaystyle \frac{5\pi}{48}-\frac{\sqrt3}8이다.(1)을 미분하여 f(t)=1t2+π2(1t)\displaystyle f^{\prime}(t)=-\sqrt{1-t^2}+\frac\pi2(1-t).f(t)=0\displaystyle f^{\prime}(t)=0으로부터 1t2=π2(1t)\displaystyle \sqrt{1-t^2}=\frac\pi2(1-t)양변을 제곱하여 얻은 1+t=π24(1t)\displaystyle 1+t=\frac{\pi^2}4(1-t)을 풀면 t=π24π2+4\displaystyle t=\frac{\pi^2-4}{\pi^2+4}에서 극값을 가진다.0tπ24π2+4\displaystyle 0\le t\le\frac{\pi^2-4}{\pi^2+4}일 때 f(t)0\displaystyle f^{\prime}(t)\ge0이므로 f(t)\displaystyle f(t)는 증가π24π2+4t1\displaystyle \frac{\pi^2-4}{\pi^2+4}\le t\le1일 때 f(t)0\displaystyle f^{\prime}(t)\le0이므로 f(t)\displaystyle f(t)는 감소그러므로 t=π24π2+4\displaystyle t=\frac{\pi^2-4}{\pi^2+4}에서 R의 넓이가 최대가 된다.

하위 문항채점 기준배점
1A+: 답과 풀이가 맞음. A: 풀이가 모두 맞았으나 사소한 계산 실수가 있음. B+: 극값 구함 B: f(t)\displaystyle f(t)와 미분을 맞게 구함 C: f(t)\displaystyle f(t)를 맞게 구함. D: t=12\displaystyle t=\frac12일 때 R\displaystyle R을 구함. E: 풀이와 관계있는 의미있는 시도를 함. F: 답안이 공란이거나 문제와 관련 없는 내용을 적음.15점

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