수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 4번

문제

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+15점 · 주어진 함수의 성질을 파악하여 a,r\displaystyle a,r를 구한다.

(1) 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 정의에 의하여 x=2\displaystyle x=2일 때f(2)=02cosπt2dt=01cosπt2dt12cosπt2dt=[2πsinπt2]01[2πsinπt2]12=4π\displaystyle \begin{aligned}f(2)&=\int_0^2\left|\cos\frac{\pi t}2\right|\,dt=\int_0^1\cos\frac{\pi t}2\,dt-\int_1^2\cos\frac{\pi t}2\,dt\\&=\Biggl[\frac2\pi\sin\frac{\pi t}2\Biggr]_0^1-\Biggl[\frac2\pi\sin\frac{\pi t}2\Biggr]_1^2=\frac4\pi\end{aligned}그러므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=2\displaystyle x=2에서 연속이기 위해서는 limx2+f(x)=4π\displaystyle \lim_{x\to2^+}f(x)=\frac4\pi가 성립해야 한다.또한 함수 f(x)\displaystyle f(x)x=2\displaystyle x=2에서 미분가능하므로f(2)=limx2f(x)f(2)x2=limx2+f(x)f(2)x2\displaystyle f^{\prime}(2)=\lim_{x\to2^-}\frac{f(x)-f(2)}{x-2}=\lim_{x\to2^+}\frac{f(x)-f(2)}{x-2}실수 전체에서 정의된 함수 g\displaystyle gg(x)=0xcosπt2dt\displaystyle g(x)=\int_0^x\left|\cos\frac{\pi t}2\right|\,dt라고 하면, g(x)\displaystyle g(x)x=2\displaystyle x=2에서 미분가능하고g(2)=limx2g(x)g(2)x2=limx2f(x)f(2)x2\displaystyle g^{\prime}(2)=\lim_{x\to2^-}\frac{g(x)-g(2)}{x-2}=\lim_{x\to2^-}\frac{f(x)-f(2)}{x-2}정적분과 미분의 관계에 의하여 g(2)=cos2π2=1\displaystyle g^{\prime}(2)=\left|\cos\frac{2\pi}2\right|=1이므로f(2)=limx2f(x)f(2)x2=limx2+f(x)f(2)x2=1\displaystyle f^{\prime}(2)=\lim_{x\to2^-}\frac{f(x)-f(2)}{x-2}=\lim_{x\to2^+}\frac{f(x)-f(2)}{x-2}=1따라서, 2<xr+a\displaystyle 2<x\le r+a일 때y=r2(xa)2,(xa)2+y2=r2,y0\displaystyle y=\sqrt{r^2-(x-a)^2},\quad(x-a)^2+y^2=r^2,\quad y\ge0으로 표현되는 함수의 그래프는 점 (2,4π)\displaystyle \left(2,\frac4\pi\right)를 지나고 점 (2,4π)\displaystyle \left(2,\frac4\pi\right)에서 접선의 기울기가 1인 원의 일부이다. 점 (2,4π)\displaystyle \left(2,\frac4\pi\right)와 원의 중심 (a,0)\displaystyle (a,0) 사이의 거리는 r\displaystyle r이고, 이 두 점을 지나는 직선의 기울기가 1\displaystyle -1이므로a=2+4π,r=(a2)2+16π2=42π\displaystyle a=2+\frac4\pi,\quad r=\sqrt{(a-2)^2+\frac{16}{\pi^2}}=\frac{4\sqrt2}\pi이다.

+15점 · 함수를 구간별로 올바르게 나타내고, 정적분을 구한다.

(2) 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 구간 [0,2]\displaystyle [0,2]에서 다음과 같다.f(x)=0xcosπt2dt=[2πsinπt2]0x=2πsinπx2(0x<1)\displaystyle f(x)=\int_0^x\cos\frac{\pi t}2\,dt=\Biggl[\frac2\pi\sin\frac{\pi t}2\Biggr]_0^x=\frac2\pi\sin\frac{\pi x}2\qquad(0\le x<1)f(x)=01cosπt2dt1xcosπt2dt=[2πsinπt2]01[2πsinπt2]1x=4π2πsinπx2(1x2)\displaystyle \begin{aligned}f(x)&=\int_0^1\cos\frac{\pi t}2\,dt-\int_1^x\cos\frac{\pi t}2\,dt\\&=\Biggl[\frac2\pi\sin\frac{\pi t}2\Biggr]_0^1-\Biggl[\frac2\pi\sin\frac{\pi t}2\Biggr]_1^x=\frac4\pi-\frac2\pi\sin\frac{\pi x}2\qquad(1\le x\le2)\end{aligned}정적분 0a+rf(x)dx\displaystyle \int_0^{a+r}f(x)\,dx를 구간을 나누어 나타내면0a+rf(x)dx=01f(x)dx+12f(x)dx+2a+rf(x)dx\displaystyle \int_0^{a+r}f(x)\,dx=\int_0^1f(x)\,dx+\int_1^2f(x)\,dx+\int_2^{a+r}f(x)\,dx각각의 정적분의 값을 구하면01f(x)dx=012πsinπx2dx=[4π2cosπx2]01=4π2\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1f(x)\,dx&=\int_0^1\frac2\pi\sin\frac{\pi x}2\,dx\\&=\Biggl[-\frac4{\pi^2}\cos\frac{\pi x}2\Biggr]_0^1=\frac4{\pi^2}\end{aligned}12f(x)dx=12(4π2πsinπx2)dx=[4πx+4π2cosπx2]12=4π4π2\displaystyle \begin{aligned}\int_1^2f(x)\,dx&=\int_1^2\left(\frac4\pi-\frac2\pi\sin\frac{\pi x}2\right)\,dx\\&=\Biggl[\frac4\pi x+\frac4{\pi^2}\cos\frac{\pi x}2\Biggr]_1^2=\frac4\pi-\frac4{\pi^2}\end{aligned}이고, 정적분 2a+rf(x)dx\displaystyle \int_2^{a+r}f(x)\,dx는 밑변과 높이가 r2\displaystyle \frac r{\sqrt2}인 직각삼각형의 넓이와, 반지름의 길이가 r\displaystyle r이고 중심각의 크기가 3π4\displaystyle \frac{3\pi}4인 부채꼴의 넓이의 합을 나타낸다. 즉2a+rf(x)dx=14r2+12r23π4=4(2+3π)π2\displaystyle \int_2^{a+r}f(x)\,dx=\frac14r^2+\frac12r^2\frac{3\pi}4=\frac{4(2+3\pi)}{\pi^2}이다. 따라서0a+rf(x)dx=4π+4(2+3π)π2=4(2+4π)π2\displaystyle \int_0^{a+r}f(x)\,dx=\frac4\pi+\frac{4(2+3\pi)}{\pi^2}=\frac{4(2+4\pi)}{\pi^2}이다.

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