수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

다음 논제에 답하시오. (20점)

좌표평면 위에 중심이 원점 O\displaystyle \mathrm O이고 곡선 y=xtan⁡x\displaystyle y=x\tan x (0≤x<π2)\displaystyle \left(0\le x<\frac\pi2\right) 위의 점 P(u,utan⁡u)\displaystyle \mathrm P(u,u\tan u)를 지나는 원 C\displaystyle C가 있다. <그림 1>과 같이 평면도형 F\displaystyle F는 원 C\displaystyle C와 선분 OP\displaystyle \mathrm{OP} 및 y\displaystyle y축으로 둘러싸인 부채꼴이고, 입체도형 S\displaystyle S는 밑면이 F\displaystyle F이고 높이가 h(u)\displaystyle h(u)인 부채꼴 기둥이다. S\displaystyle S의 부피 V(u)\displaystyle V(u)의 순간변화율 dVdu\displaystyle \frac{dV}{du}가 항상 0이고 V(1)=1\displaystyle V(1)=1일 때, lim⁡u→π2−dhdu\displaystyle \lim_{u\to\frac\pi2^-}\frac{dh}{du}를 구하시오.

원점과 P를 잇는 선분, 부채꼴 F, 높이 h(u)인 부채꼴 기둥 S. 그림 1.
해설강의 준비중

두 점 O\displaystyle \mathrm O, P\displaystyle \mathrm P를 잇는 직선의 기울기는 utan⁡u−0u−0=tan⁡u\displaystyle \frac{u\tan u-0}{u-0}=\tan u이므로, 선분 OP\displaystyle \mathrm{OP}와 x\displaystyle x축의 양의 방향이 이루는 각의 크기는 u\displaystyle u이다. 따라서 부채꼴 F\displaystyle F의 중심각의 크기는 π2−u\displaystyle \frac\pi2-u이고 반지름은OP‾=u2+(utan⁡u)2=u1+tan⁡2u=usec⁡u\displaystyle \overline{\mathrm{OP}}=\sqrt{u^2+(u\tan u)^2}=u\sqrt{1+\tan^2u}=u\sec u이다. 이로부터 부채꼴 F\displaystyle F의 넓이 A(u)\displaystyle A(u)를 다음과 같이 구할 수 있다.A(u)=12(usec⁡u)2(π2−u)=12u2π2−ucos⁡2u=12u2π2−usin⁡2(π2−u)\displaystyle A(u)=\frac12(u\sec u)^2\left(\frac\pi2-u\right)=\frac12u^2\frac{\frac\pi2-u}{\cos^2u}=\frac12u^2\frac{\frac\pi2-u}{\sin^2\left(\frac\pi2-u\right)}입체도형 S\displaystyle S의 부피 V(u)\displaystyle V(u)는 순간변화율이 0이므로 V(1)=1\displaystyle V(1)=1로 항상 일정하다. 따라서 입체도형 S\displaystyle S의 높이 h(u)\displaystyle h(u)는h(u)=V(u)A(u)=V(1)A(u)=2sin⁡2(π2−u)u2(π2−u)\displaystyle h(u)=\frac{V(u)}{A(u)}=\frac{V(1)}{A(u)}=\frac{2\sin^2\left(\frac\pi2-u\right)}{u^2\left(\frac\pi2-u\right)}이다. 몫의 미분법에 의해 h(u)\displaystyle h(u)의 도함수는 다음과 같이 구할 수 있다.dhdu=−4sin⁡(π2−u)cos⁡(π2−u)⋅u2(π2−u)−2sin⁡2(π2−u)⋅(πu−3u2)u4(π2−u)2=−4cos⁡(π2−u)u2⋅sin⁡(π2−u)(π2−u)−2(π−3u)u3⋅sin⁡2(π2−u)(π2−u)2\displaystyle \begin{aligned}\frac{dh}{du}&=\frac{-4\sin\left(\frac\pi2-u\right)\cos\left(\frac\pi2-u\right)\cdot u^2\left(\frac\pi2-u\right)-2\sin^2\left(\frac\pi2-u\right)\cdot(\pi u-3u^2)}{u^4\left(\frac\pi2-u\right)^2}\\&=\frac{-4\cos\left(\frac\pi2-u\right)}{u^2}\cdot\frac{\sin\left(\frac\pi2-u\right)}{\left(\frac\pi2-u\right)}-\frac{2(\pi-3u)}{u^3}\cdot\frac{\sin^2\left(\frac\pi2-u\right)}{\left(\frac\pi2-u\right)^2}\end{aligned}함수 곱의 극한에 대한 성질과 lim⁡u→π2−sin⁡(π2−u)(π2−u)=1\displaystyle \lim_{u\to\frac\pi2^-}\frac{\sin\left(\frac\pi2-u\right)}{\left(\frac\pi2-u\right)}=1을 이용하면, 구하고자 하는 극한값은 다음과 같다.lim⁡u→π2−dhdu=−4cos⁡0(π2)2⋅1−2(π−3π2)(π2)3⋅1=−8π2\displaystyle \lim_{u\to\frac\pi2^-}\frac{dh}{du}=\frac{-4\cos0}{\left(\frac\pi2\right)^2}\cdot1-\frac{2\left(\pi-3\frac\pi2\right)}{\left(\frac\pi2\right)^3}\cdot1=-\frac8{\pi^2}

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