수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

의예과 2번

문제

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(문제 2-1) 점 P의 시각 t\displaystyle t에서의 속도 v(t)\displaystyle v(t)v(t)=t2sin(πt)\displaystyle v(t)=t^2\sin(\pi t)일 때, 점 P가 시각 t=0\displaystyle t=0에서 t=2\displaystyle t=2까지 움직인 거리는 S=02v(t)dt\displaystyle S=\int_0^2|v(t)|\,dt이다.

속도함수 v(t)\displaystyle v(t)의 부호는 구간 [0,1]에서 v(t)0\displaystyle v(t)\geq0, 구간 [1,2]에서 v(t)0\displaystyle v(t)\leq0따라서 S=02v(t)dt=01v(t)dt12v(t)dt\displaystyle S=\int_0^2|v(t)|\,dt=\int_0^1v(t)\,dt-\int_1^2v(t)\,dt이다.

01t2sinπtdt=[t2πcosπt]012π01tcosπtdt=1π+2π{[tπsinπt]011π01sinπtdt}=1π+2π{0+1π[1πcosπt]01}=1π+2π{1π(1π1π)}}=1π+4π3=π24π3\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1t^2\sin\pi t\,dt&=\Biggl[-\frac{t^2}{\pi}\cos\pi t\Biggr]_0^1-\frac{-2}{\pi}\int_0^1t\cos\pi t\,dt\\&=\frac1\pi+\frac2\pi\left\{\Biggl[-\frac{t}{\pi}\sin\pi t\Biggr]_0^1-\frac1\pi\int_0^1\sin\pi t\,dt\right\}\\&=\frac1\pi+\frac2\pi\left\{0+\frac1\pi\Biggl[\frac1\pi\cos\pi t\Biggr]_0^1\right\}\\&=\frac1\pi+\frac2\pi\left\{\frac1\pi\left(-\frac1\pi-\frac1\pi\right)\right\}\}=\frac1\pi+\frac{-4}{\pi^3}=\frac{\pi^2-4}{\pi^3}\end{aligned}Correction. 부분적분으로 생긴 경계항 [tπsin(πt)]01\displaystyle \Biggl[-\frac{t}{\pi}\sin(\pi t)\Biggr]_0^1의 앞 부호는 +\displaystyle +가 맞다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

12t2sinπtdt=[t2πcosπt]122π12tcosπtdt=4π1π+2π{[tπsinπt]121π12sinπtdt}=5π+2π{0+1π[1πcosπt]12}=5π+2π3(1(1))=5π2+4π3\displaystyle \begin{aligned}\int_1^2t^2\sin\pi t\,dt&=\Biggl[-\frac{t^2}{\pi}\cos\pi t\Biggr]_1^2-\frac{-2}{\pi}\int_1^2t\cos\pi t\,dt\\&=-\frac4\pi-\frac1\pi+\frac2\pi\left\{\Biggl[\frac{t}{\pi}\sin\pi t\Biggr]_1^2-\frac1\pi\int_1^2\sin\pi t\,dt\right\}\\&=-\frac5\pi+\frac2\pi\left\{0+\frac1\pi\Biggl[\frac1\pi\cos\pi t\Biggr]_1^2\right\}\\&=-\frac5\pi+\frac2{\pi^3}(1-(-1))=\frac{-5\pi^2+4}{\pi^3}\end{aligned}

S=02v(t)dt=π24π3(5π2+4π3)=6π28π3\displaystyle S=\int_0^2|v(t)|\,dt=\frac{\pi^2-4}{\pi^3}-\left(\frac{-5\pi^2+4}{\pi^3}\right)=\frac{6\pi^2-8}{\pi^3}

(문제 2-2)y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 그래프는 세 점 A, B, O를 지나므로f(x)=αx(x+33)(x33)=α(x327x)\displaystyle f(x)=\alpha x(x+3\sqrt3)(x-3\sqrt3)=\alpha(x^3-27x)라 놓는다.f(x)=α(3x227)=0\displaystyle \Rightarrow f^{\prime}(x)=\alpha(3x^2-27)=0에서 근 x=±3\displaystyle x=\pm3을 얻는다.f(x)\displaystyle f(x)의 극댓값은 3이므로 3=f(3)=α(27+27×3)=54α\displaystyle 3=f(-3)=\alpha(-27+27\times3)=54\alpha에서α=354=118\displaystyle \alpha=\frac3{54}=\frac1{18}를 얻는다.

y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프는 두 점 A, B를 지나고 x=0\displaystyle x=0에서 극솟값 3\displaystyle -3을 가지므로g(x)=β(x+33)(x33)=β(x227), g(0)=β(27)=3  β=19\displaystyle g(x)=\beta(x+3\sqrt3)(x-3\sqrt3)=\beta(x^2-27),\ g(0)=\beta(-27)=-3\ \Rightarrow\ \beta=\frac19

정리하면 f(x)=118(x327x),g(x)=19(x227)\displaystyle f(x)=\frac1{18}(x^3-27x),\quad g(x)=\frac19(x^2-27)

교점을 구하기 위해 f(x)=g(x)  x327x=2x254  (x227)(x2)=0\displaystyle f(x)=g(x)\ \Rightarrow\ x^3-27x=2x^2-54\ \Rightarrow\ (x^2-27)(x-2)=0따라서 남은 한 교점의 x\displaystyle x값은 2이고, 두 곡선 사이의 넓이는S=332f(x)g(x)dx=332118(x327x)x2279dx==2819216+63\displaystyle \begin{aligned}S&=\int_{-3\sqrt3}^2f(x)-g(x)\,dx=\int_{-3\sqrt3}^2\frac1{18}(x^3-27x)-\frac{x^2-27}{9}\,dx\\&=\cdots=\frac{2819}{216}+6\sqrt3\end{aligned}

[문제 2-1]5점: 움직인 거리 식 세우기8점: 적분 계산하기2점: 답구하기

[문제 2-2]5점: 함수식 구하기2점: 교점구하기2점: 적분식 세우기6점: 답구하기

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