1사분면 위에 타원 x2+3y2=1이 주어져 있다. 그리고 원점을 지나고 x축과 이루는 각이 2n+2π라디안인 직선 y=fn(x)가 있다(단, n은 자연수). 주어진 타원과 fn(x), fn+1(x)로 둘러싸인 영역의 면적을 Sn이라고 할 때 다음 물음에 답하여라.
(a)두 직선 f1(x)와 f2(x)를 구하여라.
(b)S1의 값을 구하여라.
(c)두 직선 fn(x)와 fn+1(x) 사이의 각을 an라디안이라고 할 때 n=1∑∞an의 값을 구하여라.
서울시립대 2012학년도 수시 자연계열 A 2번 · mathesis.kr/archive/uos/2012su/jayeona_2
(a) 원점을 지나고 x축과 이루는 각이 2n+2π라디안인 직선 y=fn(x)의 방정식은 y=fn(x)=x⋅tan(2n+2π)이므로y=f1(x)=x⋅tan4π=xy=f2(x)=x⋅tan6π=33x이다.[답] y=f1(x)=x, y=f2(x)=33x
(b)
(ⅰ) 타원 x2+3y2=1과 직선 y=f1(x)=x의 교점을 P1이라 하면x2+3x2=1, 4x2=1, x2=41, x=21 (∵x>0)이므로∴P1(21,21)(ⅱ) 타원 x2+3y2=1과 직선 y=f2(x)=33x의 교점을 P2라 하면x2+x2=1, 2x2=1, x2=21, x=22 (∵x>0)이므로∴P2(22,66)(ⅲ) 두 점 P1, P2에서 x축에 내린 수선의 발을 각각 Q1, Q2라 하고 도형 P1Q1Q2P2의 넓이를 A1이라 하면A1=∫2122311−x2dx (∵x2+3y2=1에서 y=311−x2)x=sinθ라 하면 dx=cosθdθx=21일 때 θ=6π이고, x=22일 때 θ=4π이므로A1=31∫6π4πcos2θdθ=31∫6π4π21+cos2θdθ (∵cos2θ=21+cos2θ)=231[θ+21sin2θ]6π4π=231{(4π+21sin2π)−(6π+21sin3π)}=63(12π+21−43)삼각형 P1OQ1의 넓이를 A2라 하면 A2=21⋅21⋅21=81삼각형 P2OQ2의 넓이를 A3라 하면 A3=21⋅22⋅66=123따라서, 구하는 넓이 S1은S1=A1+A2−A3=63(12π+21−43)+81−123=723π[답] 723π
(d)
점 Q의 좌표를 (1,0)이라 하면 n=1∑∞Sn은 도형 P1OQ의 넓이와 같으므로 도형 P1Q1Q의 넓이를 A4라 하면A4=∫211311−x2dx (∵x2+3y2=1에서 y=311−x2)x=sinθ라 하면 dx=cosθdθx=21일 때 θ=6π이고, x=1일 때 θ=2π이므로A4=31∫6π2πcos2θdθ=31∫6π2π21+cos2θdθ (∵cos2θ=21+cos2θ)=231[θ+21sin2θ]6π2π=231{(2π+21sinπ)−(6π+21sin3π)}=63(3π−43)따라서n=1∑∞Sn=A2+A4=81+63(3π−43)=183π(∵A2는 삼각형 P1OQ1의 넓이이고, (b)에서 A2=81)[답] 183π