수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 3번

오류 제보

문제

[문제 3] (105점)

다음 정적분의 값을 구하여라.

∫−π2π2∣32sin⁡3x−cos⁡x∣dx\displaystyle \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\left|3\sqrt{2}\sin^{3}x-\cos x\right|dx

해설강의 준비중
+35점 · 적분구간을 적절하게 나눌 수 있다.

f(x)=32sin⁡3x−cos⁡x\displaystyle f(x)=3\sqrt{2}\sin^{3}x-\cos x라 하자. −π2≤x≤0\displaystyle -\frac{\pi}{2}\le x\le0일 때, sin⁡x≤0\displaystyle \sin x\le0, cos⁡x≥0\displaystyle \cos x\ge0이므로 f(x)≤0\displaystyle f(x)\le0이다. 닫힌구간 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac{\pi}{2}\right]에서 함수 g(x)=32sin⁡3x\displaystyle g(x)=3\sqrt{2}\sin^{3}x는 증가함수이고, 함수 h(x)=cos⁡x\displaystyle h(x)=\cos x는 감소함수이다. f(x)=g(x)−h(x)\displaystyle f(x)=g(x)-h(x)는 연속인 증가함수이고, f(0)=−1<0\displaystyle f(0)=-1<0, f(π2)=32>0\displaystyle f\left(\frac{\pi}{2}\right)=3\sqrt{2}>0이므로 사잇값 정리에 의해 방정식 f(x)=0\displaystyle f(x)=0은 구간 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac{\pi}{2}\right]에서 유일한 해를 갖는다. 이 해를 a\displaystyle a라 하자. −π2≤x≤a\displaystyle -\frac{\pi}{2}\le x\le a이면 f(x)≤0\displaystyle f(x)\le0이고 a≤x≤π2\displaystyle a\le x\le\frac{\pi}{2}이면 f(x)≥0\displaystyle f(x)\ge0이다. 또한32sin⁡3a=cos⁡a,18sin⁡6a=cos⁡2a=1−sin⁡2a,\displaystyle 3\sqrt{2}\sin^{3}a=\cos a,\quad18\sin^{6}a=\cos^{2}a=1-\sin^{2}a,18sin⁡6a+sin⁡2a−1=(3sin⁡2a−1)(6sin⁡4a+2sin⁡2a+1)=0\displaystyle 18\sin^{6}a+\sin^{2}a-1=(3\sin^{2}a-1)(6\sin^{4}a+2\sin^{2}a+1)=0이므로 3sin⁡2a=1\displaystyle 3\sin^{2}a=1, sin⁡a=13\displaystyle \sin a=\frac{1}{\sqrt{3}}이고 cos⁡a=1−sin⁡2a=23\displaystyle \cos a=\sqrt{1-\sin^{2}a}=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}이다.

+70점 · 정적분 값을 정확하게 계산할 수 있다.

sin⁡3x=sin⁡2xsin⁡x=(1−cos⁡2x)sin⁡x=sin⁡x−cos⁡2xsin⁡x\displaystyle \sin^{3}x=\sin^{2}x\sin x=(1-\cos^{2}x)\sin x=\sin x-\cos^{2}x\sin x 이므로∫(32sin⁡3x−cos⁡x)dx=∫32sin⁡xdx−∫32cos⁡2xsin⁡xdx−∫cos⁡xdx=−32cos⁡x+2cos⁡3x−sin⁡x+C\displaystyle \int(3\sqrt{2}\sin^{3}x-\cos x)dx=\int3\sqrt{2}\sin xdx-\int3\sqrt{2}\cos^{2}x\sin xdx-\int\cos xdx=-3\sqrt{2}\cos x+\sqrt{2}\cos^{3}x-\sin x+C이다. F(x)=2cos⁡3x−32cos⁡x−sin⁡x\displaystyle F(x)=\sqrt{2}\cos^{3}x-3\sqrt{2}\cos x-\sin x라 하자. 이때 F′(x)=f(x)\displaystyle F^{\prime}(x)=f(x)이고 F(−π2)=1\displaystyle F\left(-\frac{\pi}{2}\right)=1, F(π2)=−1\displaystyle F\left(\frac{\pi}{2}\right)=-1이며,F(a)=2cos⁡3a−32cos⁡a−sin⁡a=2×2233−32×23−13=−1739\displaystyle F(a)=\sqrt{2}\cos^{3}a-3\sqrt{2}\cos a-\sin a=\sqrt{2}\times\frac{2\sqrt{2}}{3\sqrt{3}}-3\sqrt{2}\times\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}-\frac{1}{\sqrt{3}}=-\frac{17\sqrt{3}}{9}이다. 따라서∫−π2π2∣32sin⁡3x−cos⁡x∣dx=−∫−π2af(x)dx+∫aπ2f(x)dx=−F(a)+F(−π2)+F(π2)−F(a)=3439\displaystyle \begin{aligned} \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\left|3\sqrt{2}\sin^{3}x-\cos x\right|dx &=-\int_{-\frac{\pi}{2}}^{a}f(x)dx+\int_{a}^{\frac{\pi}{2}}f(x)dx \\ &=-F(a)+F\left(-\frac{\pi}{2}\right)+F\left(\frac{\pi}{2}\right)-F(a) \\ &=\frac{34\sqrt{3}}{9} \end{aligned}이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.