수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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심화 삼각함수를 이용한 치환적분법

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[문제 2]

좌표평면에서 원 x2+(y+3)2=25\displaystyle x^2+(y+3)^2=25의 중심은 (0, -3)이고 반지름의 길이는 5이며, x\displaystyle x축을 두 점 (-4, 0)과 (4, 0)에서 지난다. 그러므로 구하는 활꼴의 현의 길이는 8이고 시의 길이가 2이다. 따라서 공식 ①에 따른 넓이는 16+222=10\displaystyle \frac{16+2^2}{2}=10이다.

중심 (0, -3), 반지름 5인 원과 x축 위의 활꼴

또 이 활꼴의 넓이를 정적분으로 구하는 식은 다음과 같다.

204(52x23)dx\displaystyle 2\int_0^4(\sqrt{5^2-x^2}-3)dx 또는 20452x2dx2043dx\displaystyle 2\int_0^4\sqrt{5^2-x^2}dx-2\int_0^4 3dx

x=5sinθ\displaystyle x=5\sin\theta로 치환하면 dxdθ=5cosθ\displaystyle \frac{dx}{d\theta}=5\cos\theta이고, x=0\displaystyle x=0일 때 θ=0\displaystyle \theta=0이며 x=4\displaystyle x=4일 때 θ=0.925\displaystyle \theta=0.925이므로, 위의 정적분의 값은 다음과 같이 구할 수 있다.

20452x2dx2043dx=200.9255252sin2θ5cosθdθ2[3x]04=200.92552cos2θdθ24=5200.925(1+cos2θ)dθ24=52[θ+sin2θ2]00.92524=52[θ+sinθcosθ]00.92524=52(0.925+0.80.6)24=251.40524=35.12524=11.125\displaystyle \begin{aligned}2\int_0^4\sqrt{5^2-x^2}dx-2\int_0^4 3dx&=2\int_0^{0.925}\sqrt{5^2-5^2\sin^2\theta}\,5\cos\theta\,d\theta-2\Biggl[3x\Biggr]_0^4\\ &=2\int_0^{0.925}5^2\cos^2\theta\,d\theta-24\\ &=5^2\int_0^{0.925}(1+\cos2\theta)d\theta-24\\ &=5^2\Biggl[\theta+\frac{\sin2\theta}{2}\Biggr]_0^{0.925}-24\\ &=5^2\Biggl[\theta+\sin\theta\cos\theta\Biggr]_0^{0.925}-24\\ &=5^2(0.925+0.8\cdot0.6)-24\\ &=25\cdot1.405-24=35.125-24=11.125\end{aligned}

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