수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중
+25점 · 이계도함수를 활용하여 함수의 그래프와 선분의 관계를 파악한 후 부분적분법을 이용하여 곡선과 선분으로 둘러싸인 도형의 넓이를 구할 수 있다.

구하는 넓이는 닫힌구간 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right]에서 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}로 둘러싸인 부분의 넓이와, 닫힌구간 [π2,π]\displaystyle \left[\frac\pi2,\pi\right]에서 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}로 둘러싸인 부분의 넓이를 더한 것과 같다.f(x)={excosx(0x<π2)excosx(π2xπ)\displaystyle f(x)=\begin{cases}e^{-x}\cos x&\left(0\le x<\frac\pi2\right)\\-e^{-x}\cos x&\left(\frac\pi2\le x\le\pi\right)\end{cases}이므로 다음과 같이 경우를 나누어 보자.(a) 0<x<π2\displaystyle 0<x<\frac\pi2이 구간에서 f(x)=2exsinx>0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=2e^{-x}\sin x>0이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 아래로 볼록하다. 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 점 B\displaystyle \mathrm{B}를 지나는 직선의 방정식을 y=g(x)\displaystyle y=g(x)라고 하면 f(0)=g(0)\displaystyle f(0)=g(0)이고 f(π2)=g(π2)\displaystyle f\left(\frac\pi2\right)=g\left(\frac\pi2\right)이므로, 닫힌구간 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right]에서 g(x)f(x)\displaystyle g(x)\ge f(x)가 성립한다.따라서 닫힌구간 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right]에서 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 선분 AB\displaystyle \mathrm{AB}로 둘러싸인 부분의 넓이는 0π2(g(x)f(x))dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}(g(x)-f(x))\,dx이다.0π2g(x)dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}g(x)\,dx는 밑변의 길이가 π2\displaystyle \frac\pi2이고 높이가 1\displaystyle 1인 직각삼각형의 넓이이므로 π4\displaystyle \frac\pi4와 같다.부분적분법으로부터 excosxdx=12ex(sinxcosx)+C\displaystyle \int e^{-x}\cos x\,dx=\frac12e^{-x}(\sin x-\cos x)+C이고, 따라서0π2f(x)dx=[12ex(sinxcosx)]0π2=12eπ212\displaystyle -\int_0^{\frac\pi2}f(x)\,dx=-\Biggl[\frac12e^{-x}(\sin x-\cos x)\Biggr]_0^{\frac\pi2}=-\frac12e^{-\frac\pi2}-\frac12그러므로 0π2(g(x)f(x))dx=π412eπ212\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}(g(x)-f(x))\,dx=\frac\pi4-\frac12e^{-\frac\pi2}-\frac12이다.(b) π2<x<π\displaystyle \frac\pi2<x<\pi이 구간에서 f(x)=2exsinx<0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=-2e^{-x}\sin x<0이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 위로 볼록하다.B\displaystyle \mathrm{B}와 점 C\displaystyle \mathrm{C}를 지나는 직선의 방정식을 y=h(x)\displaystyle y=h(x)라고 하면 f(π2)=h(π2)\displaystyle f\left(\frac\pi2\right)=h\left(\frac\pi2\right)이고 f(π)=h(π)\displaystyle f(\pi)=h(\pi)이므로, 닫힌구간 [π2,π]\displaystyle \left[\frac\pi2,\pi\right]에서 f(x)h(x)\displaystyle f(x)\ge h(x)가 성립한다.따라서 닫힌구간 [π2,π]\displaystyle \left[\frac\pi2,\pi\right]에서 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 선분 BC\displaystyle \mathrm{BC}로 둘러싸인 부분의 넓이는 π2π(f(x)h(x))dx\displaystyle \int_{\frac\pi2}^{\pi}(f(x)-h(x))\,dx이다.π2πh(x)dx\displaystyle \int_{\frac\pi2}^{\pi}h(x)\,dx는 밑변의 길이가 π2\displaystyle \frac\pi2이고 높이가 eπ\displaystyle e^{-\pi}인 직각삼각형의 넓이이므로 πeπ4\displaystyle \frac{\pi e^{-\pi}}4와 같다.닫힌구간 [π2,π]\displaystyle \left[\frac\pi2,\pi\right]에서 f(x)=excosx\displaystyle f(x)=-e^{-x}\cos x이므로π2πf(x)dx=[12ex(sinxcosx)]π2π=12eπ212eπ\displaystyle \int_{\frac\pi2}^{\pi}f(x)\,dx=\Biggl[-\frac12e^{-x}(\sin x-\cos x)\Biggr]_{\frac\pi2}^{\pi}=\frac12e^{-\frac\pi2}-\frac12e^{-\pi}이고,π2π(f(x)h(x))dx=12eπ212eππeπ4\displaystyle \int_{\frac\pi2}^{\pi}(f(x)-h(x))\,dx=\frac12e^{-\frac\pi2}-\frac12e^{-\pi}-\frac{\pi e^{-\pi}}4이다.그러므로 구하는 넓이는0π2(g(x)f(x))dx+π2π(f(x)h(x))dx=π4πeπ412eπ12\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}(g(x)-f(x))\,dx+\int_{\frac\pi2}^{\pi}(f(x)-h(x))\,dx=\frac\pi4-\frac{\pi e^{-\pi}}4-\frac12e^{-\pi}-\frac12이다.

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