수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 1번

문제

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해설강의 준비중

[1.1] 중심이 A\displaystyle A이고 반지름의 길이가 2\displaystyle 2인 원이 x\displaystyle x축 위를 θ\displaystyle \theta만큼 굴러가면, 원점 O\displaystyle O에서 출발한 점 P\displaystyle P의 위치는 문제에서 제시한 그림과 같다. 점 P\displaystyle P의 좌표를 (x,y)\displaystyle (x,y)라 하면x=OB=OCBC\displaystyle x=\overline{OB}=\overline{OC}-\overline{BC}이다. 여기서 OC\displaystyle \overline{OC}BC\displaystyle \overline{BC}θ\displaystyle \theta를 이용하여 나타내보자. 원이 x\displaystyle x축 위를 굴러가면 OC=PC\displaystyle \overline{OC}=\overset{\frown}{PC}이므로 OC=2θ\displaystyle \overline{OC}=2\theta이고, APD\displaystyle \triangle APD에서 BC=PD=2sinθ\displaystyle \overline{BC}=\overline{PD}=2\sin\theta이다. 따라서x=2(θsinθ)\displaystyle x=2(\theta-\sin\theta)이다. 또y=PB=ACAD=2AD\displaystyle y=\overline{PB}=\overline{AC}-\overline{AD}=2-\overline{AD}인데, APD\displaystyle \triangle APD에서 AD=2cosθ\displaystyle \overline{AD}=2\cos\theta이다. 따라서y=2(1cosθ)\displaystyle y=2(1-\cos\theta)이다.답) 가 2θ\displaystyle 2\theta, 나 2sinθ\displaystyle 2\sin\theta, 다 2(θsinθ)\displaystyle 2(\theta-\sin\theta), 라 2cosθ\displaystyle 2\cos\theta, 마 2(1cosθ)\displaystyle 2(1-\cos\theta)

[1.2] x=2(θsinθ)\displaystyle x=2(\theta-\sin\theta), y=2(1cosθ)\displaystyle y=2(1-\cos\theta), 0θ2π\displaystyle 0\leq\theta\leq2\pi이므로dxdθ=2(1cosθ),dydθ=2sinθ\displaystyle \frac{dx}{d\theta}=2(1-\cos\theta),\quad\frac{dy}{d\theta}=2\sin\theta이다. 제시문 (가)의 매개변수로 나타낸 곡선의 길이 구하는 공식에 의하여l=202π(1cosθ)2+sin2θdθ=202π22cosθdθ\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\theta이다. 그런데 제시문 (나)의 삼각함수의 반각공식에 의하여 1cosθ=2sin2θ2\displaystyle 1-\cos\theta=2\sin^2\frac\theta2이고, 0θ2π\displaystyle 0\leq\theta\leq2\pi에서 sinθ20\displaystyle \sin\frac\theta2\geq0이므로l=402πsinθ2dθ=4[2cosθ2]02π=16\displaystyle l=4\int_0^{2\pi}\sin\frac\theta2\,d\theta=4\Biggl[-2\cos\frac\theta2\Biggr]_0^{2\pi}=16이다.

[1.3] 사이클로이드의 방정식과 치환적분법에 의하여mk=82(k1)π2kπ(θsinθ)(1cosθ)2dθ\displaystyle m_k=8\int_{2(k-1)\pi}^{2k\pi}(\theta-\sin\theta)(1-\cos\theta)^2\,d\theta이다. 부분적분법에 의하여2(k1)π2kπθ(1cosθ)2dθ=[34θ22θsinθ+14θsin2θ2cosθ+18cos2θ]2(k1)π2kπ=3π2(2k1)\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)이고2(k1)π2kπsinθ(1cosθ)2dθ=[13(1cosθ)3]2(k1)π2kπ=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}=0이므로mk=24π2(2k1)\displaystyle m_k=24\pi^2(2k-1)이다. 그런데 k=1nk=n(n+1)2\displaystyle \sum_{k=1}^nk=\frac{n(n+1)}2이고 k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6\displaystyle \sum_{k=1}^nk^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}6이므로k=1nkmk=k=1n24π2(2k2k)=24π2(n(n+1)(2n+1)3n(n+1)2)=4π2n(n+1)(4n1)\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)이다. 따라서limn1n3k=1nkmk=limn1n34π2n(n+1)(4n1)=16π2\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^2이다.

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