수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

0≤a≤1\displaystyle 0 \leq a \leq 1일 때, 정적분 ∫03π∣sin⁡x−a∣ dx\displaystyle \int_{0}^{3\pi}|\sin x-a|\,dx의 값이 최소가 되는 a\displaystyle a의 값과 정적분의 최솟값을 구하여라.

해설강의 준비중

심화 함수의 그래프와 수평선 사이 넓이의 최솟값

관련 개념강의 준비중
+45점 · 구간을 나누어 삼각함수의 정적분의 계산식을 정리할 수 있다.

0≤a≤1\displaystyle 0 \leq a \leq 1이므로구간 [0, π2]\displaystyle \left[0,\ \frac{\pi}{2}\right]에서 곡선 y=sin⁡x\displaystyle y=\sin x와 직선 y=a\displaystyle y=a의 교점은 하나만 존재한다.교점의 x\displaystyle x좌표를 θ\displaystyle \theta라 하면 sin⁡θ=a\displaystyle \sin\theta=a이다.

함수 f(x)=sin⁡x−a\displaystyle f(x)=\sin x-a의 부호는 x=θ, π−θ, 2π+θ, 3π−θ\displaystyle x=\theta,\ \pi-\theta,\ 2\pi+\theta,\ 3\pi-\theta에서 바뀌므로구간 [0, 3π]\displaystyle [0,\ 3\pi]를 [0, θ]\displaystyle [0,\ \theta], [θ, π−θ]\displaystyle [\theta,\ \pi-\theta], [π−θ, 2π+θ]\displaystyle [\pi-\theta,\ 2\pi+\theta], [2π+θ, 3π−θ]\displaystyle [2\pi+\theta,\ 3\pi-\theta], [3π−θ, 3π]\displaystyle [3\pi-\theta,\ 3\pi]의 다섯 구간으로 나누어 적분한다.

[0, θ]\displaystyle [0,\ \theta]와 [3π−θ, 3π]\displaystyle [3\pi-\theta,\ 3\pi]에서는 f(x)≤0\displaystyle f(x)\leq 0이므로∫0θ∣f(x)∣ dx=∫3π−θ3π∣f(x)∣ dx=∫0θ(a−sin⁡x) dx=aθ+cos⁡θ−1\displaystyle \int_{0}^{\theta}|f(x)|\,dx=\int_{3\pi-\theta}^{3\pi}|f(x)|\,dx=\int_{0}^{\theta}(a-\sin x)\,dx=a\theta+\cos\theta-1이다.

[θ, π−θ]\displaystyle [\theta,\ \pi-\theta]와 [2π+θ, 3π−θ]\displaystyle [2\pi+\theta,\ 3\pi-\theta]에서는 f(x)≥0\displaystyle f(x)\geq 0이므로∫θπ−θ∣f(x)∣ dx=∫2π+θ3π−θ∣f(x)∣ dx=∫θπ−θ(sin⁡x−a) dx=2cos⁡θ+2aθ−aπ\displaystyle \int_{\theta}^{\pi-\theta}|f(x)|\,dx=\int_{2\pi+\theta}^{3\pi-\theta}|f(x)|\,dx=\int_{\theta}^{\pi-\theta}(\sin x-a)\,dx=2\cos\theta+2a\theta-a\pi이다.

[π−θ, 2π+θ]\displaystyle [\pi-\theta,\ 2\pi+\theta]에서는 f(x)≤0\displaystyle f(x)\leq 0이므로∫π−θ2π+θ∣f(x)∣ dx=∫π−θ2π+θ(a−sin⁡x) dx=aπ+2aθ+2cos⁡θ\displaystyle \int_{\pi-\theta}^{2\pi+\theta}|f(x)|\,dx=\int_{\pi-\theta}^{2\pi+\theta}(a-\sin x)\,dx=a\pi+2a\theta+2\cos\theta이다.

+40점 · 도함수를 이용하여 최솟값을 구할 수 있다.

다섯 구간의 적분값을 모두 더하면 ∫03π∣f(x)∣ dx=(8θ−π)sin⁡θ+8cos⁡θ−2\displaystyle \int_{0}^{3\pi}|f(x)|\,dx=(8\theta-\pi)\sin\theta+8\cos\theta-2이다.g(θ)=(8θ−π)sin⁡θ+8cos⁡θ−2\displaystyle g(\theta)=(8\theta-\pi)\sin\theta+8\cos\theta-2라 하면,g′(θ)=(8θ−π)cos⁡θ\displaystyle g^{\prime}(\theta)=(8\theta-\pi)\cos\theta이고함수 g(θ)\displaystyle g(\theta)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

θ\displaystyle \theta0⋯π8\displaystyle \frac{\pi}{8}⋯π2\displaystyle \frac{\pi}{2}
g′(θ)\displaystyle g^{\prime}(\theta)-0+
g(θ)\displaystyle g(\theta)6\displaystyle 6↘8cos⁡π8−2\displaystyle 8\cos\frac{\pi}{8}-2↗3π−2\displaystyle 3\pi-2

따라서 구간 [0, π2]\displaystyle \left[0,\ \frac{\pi}{2}\right]에서 g(θ)\displaystyle g(\theta)는 θ=π8\displaystyle \theta=\frac{\pi}{8}일 때 최솟값을 가진다.그러므로 a=sin⁡π8\displaystyle a=\sin\frac{\pi}{8}일 때 주어진 정적분의 최솟값은 8cos⁡π8−2\displaystyle 8\cos\frac{\pi}{8}-2이다.

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