수리논술, 이게 다다.

자연계열 A 2번

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문제

1사분면 위에 타원 x2+3y2=1\displaystyle x^{2}+3y^{2}=1이 주어져 있다. 그리고 원점을 지나고 x\displaystyle x축과 이루는 각이 π2n+2\displaystyle \frac{\pi}{2n+2}라디안인 직선 y=fn(x)\displaystyle y=f_{n}(x)가 있다(단, n\displaystyle n은 자연수). 주어진 타원과 fn(x)\displaystyle f_{n}(x), fn+1(x)\displaystyle f_{n+1}(x)로 둘러싸인 영역의 면적을 Sn\displaystyle S_{n}이라고 할 때 다음 물음에 답하여라.

(a) 두 직선 f1(x)\displaystyle f_{1}(x)와 f2(x)\displaystyle f_{2}(x)를 구하여라.

(b) S1\displaystyle S_{1}의 값을 구하여라.

(c) 두 직선 fn(x)\displaystyle f_{n}(x)와 fn+1(x)\displaystyle f_{n+1}(x) 사이의 각을 an\displaystyle a_{n}라디안이라고 할 때 ∑n=1∞an\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}a_{n}의 값을 구하여라.

(d) ∑n=1∞Sn\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}S_{n}의 값을 구하여라.

해설강의 준비중

심화 타원의 넓이

관련 개념강의 준비중

(a) 원점을 지나고 x\displaystyle x축과 이루는 각이 π2n+2\displaystyle \frac{\pi}{2n+2}라디안인 직선 y=fn(x)\displaystyle y=f_{n}(x)의 방정식은 y=fn(x)=x⋅tan⁡(π2n+2)\displaystyle y=f_{n}(x)=x\cdot\tan\left(\frac{\pi}{2n+2}\right)이므로y=f1(x)=x⋅tan⁡π4=x\displaystyle y=f_{1}(x)=x\cdot\tan\frac{\pi}{4}=xy=f2(x)=x⋅tan⁡π6=33x\displaystyle y=f_{2}(x)=x\cdot\tan\frac{\pi}{6}=\frac{\sqrt{3}}{3}x이다.[답] y=f1(x)=x\displaystyle y=f_{1}(x)=x, y=f2(x)=33x\displaystyle y=f_{2}(x)=\frac{\sqrt{3}}{3}x

(b)

제1사분면의 타원 x²+3y²=1과 두 직선 y=x, y=(√3/3)x. 두 직선이 타원과 만나는 점 P1, P2에서 x축에 내린 수선의 발이 Q1, Q2로 표시되어 있다.

(ⅰ) 타원 x2+3y2=1\displaystyle x^{2}+3y^{2}=1과 직선 y=f1(x)=x\displaystyle y=f_{1}(x)=x의 교점을 P1\displaystyle \mathrm{P}_{1}이라 하면x2+3x2=1\displaystyle x^{2}+3x^{2}=1, 4x2=1\displaystyle 4x^{2}=1, x2=14\displaystyle x^{2}=\frac{1}{4}, x=12\displaystyle x=\frac{1}{2} (∵x>0\displaystyle \because x>0)이므로∴ P1(12,12)\displaystyle \therefore\ \mathrm{P}_{1}\left(\frac{1}{2},\frac{1}{2}\right)(ⅱ) 타원 x2+3y2=1\displaystyle x^{2}+3y^{2}=1과 직선 y=f2(x)=33x\displaystyle y=f_{2}(x)=\frac{\sqrt{3}}{3}x의 교점을 P2\displaystyle \mathrm{P}_{2}라 하면x2+x2=1\displaystyle x^{2}+x^{2}=1, 2x2=1\displaystyle 2x^{2}=1, x2=12\displaystyle x^{2}=\frac{1}{2}, x=22\displaystyle x=\frac{\sqrt{2}}{2} (∵x>0\displaystyle \because x>0)이므로∴ P2(22,66)\displaystyle \therefore\ \mathrm{P}_{2}\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{6}}{6}\right)(ⅲ) 두 점 P1\displaystyle \mathrm{P}_{1}, P2\displaystyle \mathrm{P}_{2}에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 각각 Q1\displaystyle \mathrm{Q}_{1}, Q2\displaystyle \mathrm{Q}_{2}라 하고 도형 P1Q1Q2P2\displaystyle \mathrm{P}_{1}\mathrm{Q}_{1}\mathrm{Q}_{2}\mathrm{P}_{2}의 넓이를 A1\displaystyle A_{1}이라 하면A1=∫1222131−x2 dx\displaystyle A_{1}=\int_{\frac{1}{2}}^{\frac{\sqrt{2}}{2}}\frac{1}{\sqrt{3}}\sqrt{1-x^{2}}\,dx (∵\displaystyle \because x2+3y2=1\displaystyle x^{2}+3y^{2}=1에서 y=131−x2\displaystyle y=\frac{1}{\sqrt{3}}\sqrt{1-x^{2}})x=sin⁡θ\displaystyle x=\sin\theta라 하면 dx=cos⁡θ dθ\displaystyle dx=\cos\theta\,d\thetax=12\displaystyle x=\frac{1}{2}일 때 θ=π6\displaystyle \theta=\frac{\pi}{6}이고, x=22\displaystyle x=\frac{\sqrt{2}}{2}일 때 θ=π4\displaystyle \theta=\frac{\pi}{4}이므로A1=13∫π6π4cos⁡2θ dθ=13∫π6π41+cos⁡2θ2 dθ\displaystyle A_{1}=\frac{1}{\sqrt{3}}\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{4}}\cos^{2}\theta\,d\theta=\frac{1}{\sqrt{3}}\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{4}}\frac{1+\cos2\theta}{2}\,d\theta (∵\displaystyle \because cos⁡2θ=1+cos⁡2θ2\displaystyle \cos^{2}\theta=\frac{1+\cos2\theta}{2})=123[θ+12sin⁡2θ]π6π4=123{(π4+12sin⁡π2)−(π6+12sin⁡π3)}=36(π12+12−34)\displaystyle =\frac{1}{2\sqrt{3}}\Biggl[\theta+\frac{1}{2}\sin2\theta\Biggr]_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{4}}=\frac{1}{2\sqrt{3}}\left\{\left(\frac{\pi}{4}+\frac{1}{2}\sin\frac{\pi}{2}\right)-\left(\frac{\pi}{6}+\frac{1}{2}\sin\frac{\pi}{3}\right)\right\}=\frac{\sqrt{3}}{6}\left(\frac{\pi}{12}+\frac{1}{2}-\frac{\sqrt{3}}{4}\right)삼각형 P1OQ1\displaystyle \mathrm{P}_{1}\mathrm{O}\mathrm{Q}_{1}의 넓이를 A2\displaystyle A_{2}라 하면 A2=12⋅12⋅12=18\displaystyle A_{2}=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2}=\frac{1}{8}삼각형 P2OQ2\displaystyle \mathrm{P}_{2}\mathrm{O}\mathrm{Q}_{2}의 넓이를 A3\displaystyle A_{3}라 하면 A3=12⋅22⋅66=312\displaystyle A_{3}=\frac{1}{2}\cdot\frac{\sqrt{2}}{2}\cdot\frac{\sqrt{6}}{6}=\frac{\sqrt{3}}{12}따라서, 구하는 넓이 S1\displaystyle S_{1}은S1=A1+A2−A3=36(π12+12−34)+18−312=3π72\displaystyle S_{1}=A_{1}+A_{2}-A_{3}=\frac{\sqrt{3}}{6}\left(\frac{\pi}{12}+\frac{1}{2}-\frac{\sqrt{3}}{4}\right)+\frac{1}{8}-\frac{\sqrt{3}}{12}=\frac{\sqrt{3}\pi}{72}[답] 3π72\displaystyle \frac{\sqrt{3}\pi}{72}

(d)

제1사분면의 타원 x²+3y²=1과 직선 y=x. 교점 P1에서 x축에 내린 수선의 발 Q1과, x축 위의 점 Q(1, 0)이 표시되어 있다.

점 Q\displaystyle \mathrm{Q}의 좌표를 (1,0)\displaystyle (1,0)이라 하면 ∑n=1∞Sn\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}S_{n}은 도형 P1OQ\displaystyle \mathrm{P}_{1}\mathrm{O}\mathrm{Q}의 넓이와 같으므로 도형 P1Q1Q\displaystyle \mathrm{P}_{1}\mathrm{Q}_{1}\mathrm{Q}의 넓이를 A4\displaystyle A_{4}라 하면A4=∫121131−x2 dx\displaystyle A_{4}=\int_{\frac{1}{2}}^{1}\frac{1}{\sqrt{3}}\sqrt{1-x^{2}}\,dx (∵\displaystyle \because x2+3y2=1\displaystyle x^{2}+3y^{2}=1에서 y=131−x2\displaystyle y=\frac{1}{\sqrt{3}}\sqrt{1-x^{2}})x=sin⁡θ\displaystyle x=\sin\theta라 하면 dx=cos⁡θ dθ\displaystyle dx=\cos\theta\,d\thetax=12\displaystyle x=\frac{1}{2}일 때 θ=π6\displaystyle \theta=\frac{\pi}{6}이고, x=1\displaystyle x=1일 때 θ=π2\displaystyle \theta=\frac{\pi}{2}이므로A4=13∫π6π2cos⁡2θ dθ=13∫π6π21+cos⁡2θ2 dθ\displaystyle A_{4}=\frac{1}{\sqrt{3}}\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2}\theta\,d\theta=\frac{1}{\sqrt{3}}\int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1+\cos2\theta}{2}\,d\theta (∵\displaystyle \because cos⁡2θ=1+cos⁡2θ2\displaystyle \cos^{2}\theta=\frac{1+\cos2\theta}{2})=123[θ+12sin⁡2θ]π6π2=123{(π2+12sin⁡π)−(π6+12sin⁡π3)}=36(π3−34)\displaystyle =\frac{1}{2\sqrt{3}}\Biggl[\theta+\frac{1}{2}\sin2\theta\Biggr]_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{2}}=\frac{1}{2\sqrt{3}}\left\{\left(\frac{\pi}{2}+\frac{1}{2}\sin\pi\right)-\left(\frac{\pi}{6}+\frac{1}{2}\sin\frac{\pi}{3}\right)\right\}=\frac{\sqrt{3}}{6}\left(\frac{\pi}{3}-\frac{\sqrt{3}}{4}\right)따라서∑n=1∞Sn=A2+A4=18+36(π3−34)=3π18\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}S_{n}=A_{2}+A_{4}=\frac{1}{8}+\frac{\sqrt{3}}{6}\left(\frac{\pi}{3}-\frac{\sqrt{3}}{4}\right)=\frac{\sqrt{3}\pi}{18}(∵\displaystyle \because A2\displaystyle A_{2}는 삼각형 P1OQ1\displaystyle \mathrm{P}_{1}\mathrm{O}\mathrm{Q}_{1}의 넓이이고, (b)에서 A2=18\displaystyle A_{2}=\frac{1}{8})[답] 3π18\displaystyle \frac{\sqrt{3}\pi}{18}

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