[1.1] 중심이 A \displaystyle A A 이고 반지름의 길이가 2 \displaystyle 2 2 인 원이 x \displaystyle x x 축 위를 θ \displaystyle \theta θ 만큼 굴러가면, 원점 O \displaystyle O O 에서 출발한 점 P \displaystyle P P 의 위치는 문제에서 제시한 그림과 같다. 점 P \displaystyle P P 의 좌표를 ( x , y ) \displaystyle (x,y) ( x , y ) 라 하면 x = O B ‾ = O C ‾ − B C ‾ \displaystyle x=\overline{OB}=\overline{OC}-\overline{BC} x = O B = O C − B C 이다. 여기서 O C ‾ \displaystyle \overline{OC} O C 와 B C ‾ \displaystyle \overline{BC} B C 를 θ \displaystyle \theta θ 를 이용하여 나타내보자. 원이 x \displaystyle x x 축 위를 굴러가면 O C ‾ = P C ⌢ \displaystyle \overline{OC}=\overset{\frown}{PC} O C = P C ⌢ 이므로 O C ‾ = 2 θ \displaystyle \overline{OC}=2\theta O C = 2 θ 이고, △ A P D \displaystyle \triangle APD △ A P D 에서 B C ‾ = P D ‾ = 2 sin θ \displaystyle \overline{BC}=\overline{PD}=2\sin\theta B C = P D = 2 sin θ 이다. 따라서 x = 2 ( θ − sin θ ) \displaystyle x=2(\theta-\sin\theta) x = 2 ( θ − sin θ ) 이다. 또 y = P B ‾ = A C ‾ − A D ‾ = 2 − A D ‾ \displaystyle y=\overline{PB}=\overline{AC}-\overline{AD}=2-\overline{AD} y = P B = A C − A D = 2 − A D 인데, △ A P D \displaystyle \triangle APD △ A P D 에서 A D ‾ = 2 cos θ \displaystyle \overline{AD}=2\cos\theta A D = 2 cos θ 이다. 따라서 y = 2 ( 1 − cos θ ) \displaystyle y=2(1-\cos\theta) y = 2 ( 1 − cos θ ) 이다. 답) 가 2 θ \displaystyle 2\theta 2 θ , 나 2 sin θ \displaystyle 2\sin\theta 2 sin θ , 다 2 ( θ − sin θ ) \displaystyle 2(\theta-\sin\theta) 2 ( θ − sin θ ) , 라 2 cos θ \displaystyle 2\cos\theta 2 cos θ , 마 2 ( 1 − cos θ ) \displaystyle 2(1-\cos\theta) 2 ( 1 − cos θ )
[1.2] x = 2 ( θ − sin θ ) \displaystyle x=2(\theta-\sin\theta) x = 2 ( θ − sin θ ) , y = 2 ( 1 − cos θ ) \displaystyle y=2(1-\cos\theta) y = 2 ( 1 − cos θ ) , 0 ≤ θ ≤ 2 π \displaystyle 0\leq\theta\leq2\pi 0 ≤ θ ≤ 2 π 이므로 d x d θ = 2 ( 1 − cos θ ) , d y d θ = 2 sin θ \displaystyle \frac{dx}{d\theta}=2(1-\cos\theta),\quad\frac{dy}{d\theta}=2\sin\theta d θ d x = 2 ( 1 − cos θ ) , d θ d y = 2 sin θ 이다. 제시문 (가)의 매개변수로 나타낸 곡선의 길이 구하는 공식에 의하여 l = 2 ∫ 0 2 π ( 1 − cos θ ) 2 + sin 2 θ d θ = 2 ∫ 0 2 π 2 − 2 cos θ d θ \displaystyle l=2\int_0^{2\pi}\sqrt{(1-\cos\theta)^2+\sin^2\theta}\,d\theta=2\int_0^{2\pi}\sqrt{2-2\cos\theta}\,d\theta l = 2 ∫ 0 2 π ( 1 − cos θ ) 2 + sin 2 θ d θ = 2 ∫ 0 2 π 2 − 2 cos θ d θ 이다. 그런데 제시문 (나)의 삼각함수의 반각공식에 의하여 1 − cos θ = 2 sin 2 θ 2 \displaystyle 1-\cos\theta=2\sin^2\frac\theta2 1 − cos θ = 2 sin 2 2 θ 이고, 0 ≤ θ ≤ 2 π \displaystyle 0\leq\theta\leq2\pi 0 ≤ θ ≤ 2 π 에서 sin θ 2 ≥ 0 \displaystyle \sin\frac\theta2\geq0 sin 2 θ ≥ 0 이므로 l = 4 ∫ 0 2 π sin θ 2 d θ = 4 [ − 2 cos θ 2 ] 0 2 π = 16 \displaystyle l=4\int_0^{2\pi}\sin\frac\theta2\,d\theta=4\Biggl[-2\cos\frac\theta2\Biggr]_0^{2\pi}=16 l = 4 ∫ 0 2 π sin 2 θ d θ = 4 [ − 2 cos 2 θ ] 0 2 π = 16 이다.
[1.3] 사이클로이드의 방정식과 치환적분법에 의하여 m k = 8 ∫ 2 ( k − 1 ) π 2 k π ( θ − sin θ ) ( 1 − cos θ ) 2 d θ \displaystyle m_k=8\int_{2(k-1)\pi}^{2k\pi}(\theta-\sin\theta)(1-\cos\theta)^2\,d\theta m k = 8 ∫ 2 ( k − 1 ) π 2 k π ( θ − sin θ ) ( 1 − cos θ ) 2 d θ 이다. 부분적분법에 의하여 ∫ 2 ( k − 1 ) π 2 k π θ ( 1 − cos θ ) 2 d θ = [ 3 4 θ 2 − 2 θ sin θ + 1 4 θ sin 2 θ − 2 cos θ + 1 8 cos 2 θ ] 2 ( k − 1 ) π 2 k π = 3 π 2 ( 2 k − 1 ) \displaystyle \int_{2(k-1)\pi}^{2k\pi}\theta(1-\cos\theta)^2\,d\theta=\Biggl[\frac34\theta^2-2\theta\sin\theta+\frac14\theta\sin2\theta-2\cos\theta+\frac18\cos2\theta\Biggr]_{2(k-1)\pi}^{2k\pi}=3\pi^2(2k-1) ∫ 2 ( k − 1 ) π 2 k π θ ( 1 − cos θ ) 2 d θ = [ 4 3 θ 2 − 2 θ sin θ + 4 1 θ sin 2 θ − 2 cos θ + 8 1 cos 2 θ ] 2 ( k − 1 ) π 2 k π = 3 π 2 ( 2 k − 1 ) 이고 ∫ 2 ( k − 1 ) π 2 k π sin θ ( 1 − cos θ ) 2 d θ = [ 1 3 ( 1 − cos θ ) 3 ] 2 ( k − 1 ) π 2 k π = 0 \displaystyle \int_{2(k-1)\pi}^{2k\pi}\sin\theta(1-\cos\theta)^2\,d\theta=\Biggl[\frac13(1-\cos\theta)^3\Biggr]_{2(k-1)\pi}^{2k\pi}=0 ∫ 2 ( k − 1 ) π 2 k π sin θ ( 1 − cos θ ) 2 d θ = [ 3 1 ( 1 − cos θ ) 3 ] 2 ( k − 1 ) π 2 k π = 0 이므로 m k = 24 π 2 ( 2 k − 1 ) \displaystyle m_k=24\pi^2(2k-1) m k = 24 π 2 ( 2 k − 1 ) 이다. 그런데 ∑ k = 1 n k = n ( n + 1 ) 2 \displaystyle \sum_{k=1}^nk=\frac{n(n+1)}2 k = 1 ∑ n k = 2 n ( n + 1 ) 이고 ∑ k = 1 n k 2 = n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 6 \displaystyle \sum_{k=1}^nk^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}6 k = 1 ∑ n k 2 = 6 n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 이므로 ∑ k = 1 n k m k = ∑ k = 1 n 24 π 2 ( 2 k 2 − k ) = 24 π 2 ( n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 3 − n ( n + 1 ) 2 ) = 4 π 2 n ( n + 1 ) ( 4 n − 1 ) \displaystyle \sum_{k=1}^nkm_k=\sum_{k=1}^n24\pi^2(2k^2-k)=24\pi^2\left(\frac{n(n+1)(2n+1)}3-\frac{n(n+1)}2\right)=4\pi^2n(n+1)(4n-1) k = 1 ∑ n k m k = k = 1 ∑ n 24 π 2 ( 2 k 2 − k ) = 24 π 2 ( 3 n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) − 2 n ( n + 1 ) ) = 4 π 2 n ( n + 1 ) ( 4 n − 1 ) 이다. 따라서 lim n → ∞ 1 n 3 ∑ k = 1 n k m k = lim n → ∞ 1 n 3 4 π 2 n ( n + 1 ) ( 4 n − 1 ) = 16 π 2 \displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac1{n^3}\sum_{k=1}^nkm_k=\lim_{n\to\infty}\frac1{n^3}4\pi^2n(n+1)(4n-1)=16\pi^2 n → ∞ lim n 3 1 k = 1 ∑ n k m k = n → ∞ lim n 3 1 4 π 2 n ( n + 1 ) ( 4 n − 1 ) = 16 π 2 이다.