수리논술, 이게 다다.

자연계열 8번

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문제

문제 8 아래의 제시문을 읽고 풀이와 함께 답하시오. (10점)

실수 x∈[−π/2,π/2]\displaystyle x\in[-\pi/2,\pi/2]에 대하여 점 A\displaystyle \mathrm{A}를 A(x,0)\displaystyle \mathrm{A}(x,0)라 하자. 점 A\displaystyle \mathrm{A}를 지나고 x\displaystyle x축에 수직인 직선이 곡선 y=sin⁡x\displaystyle y=\sin x와 만나는 점을 D\displaystyle \mathrm{D}라 하자. 또 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 D\displaystyle \mathrm{D}를 각각 y\displaystyle y축에 대하여 대칭이동한 점을 각각 B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}라 할 때 사각형 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}는 직사각형이 된다. 이 직사각형 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}의 넓이를 S(x)\displaystyle S(x)라 할 때 다음에 주어진 정적분의 값을 구하시오.∫−π/2π/2S(x) dx\displaystyle \int_{-\pi/2}^{\pi/2}S(x)\,dx

해설강의 준비중

풀이

점 A\displaystyle \mathrm{A}의 좌표는 A(x,0)\displaystyle \mathrm{A}(x,0)이고, 점 A\displaystyle \mathrm{A}를 지나고 x\displaystyle x축에 수직인 직선이 곡선 y=sin⁡x\displaystyle y=\sin x와 만나는 점은 D(x,sin⁡x)\displaystyle \mathrm{D}(x,\sin x)이다. 점 A\displaystyle \mathrm{A}와 D\displaystyle \mathrm{D}를 각각 y\displaystyle y축에 대하여 대칭이동한 점 B\displaystyle \mathrm{B}, C\displaystyle \mathrm{C}는 각각 B(−x,0)\displaystyle \mathrm{B}(-x,0), C(−x,sin⁡x)\displaystyle \mathrm{C}(-x,\sin x)이다.따라서 직사각형 ABCD\displaystyle \mathrm{ABCD}의 가로와 세로 길이는 각각 다음과 같다:∣x−(−x)∣=2∣x∣, ∣sin⁡x−0∣=∣sin⁡x∣\displaystyle |x-(-x)|=2|x|,\ |\sin x-0|=|\sin x|그러므로 넓이 S(x)\displaystyle S(x)는S(x)=2∣x∣∣sin⁡x∣\displaystyle S(x)=2|x||\sin x|이다.

그런데 x∈[−π2,π2]\displaystyle x\in\left[-\frac\pi2,\frac\pi2\right]에서 x\displaystyle x와 sin⁡x\displaystyle \sin x는 항상 부호가 같으므로 ∣x∣∣sin⁡x∣=xsin⁡x\displaystyle |x||\sin x|=x\sin x이다.따라서 넓이 S(x)=2xsin⁡x\displaystyle S(x)=2x\sin x로 나타낼 수 있고, 다음이 성립하므로 S(x)\displaystyle S(x)는 우함수이다.S(−x)=2(−x)sin⁡(−x)=2xsin⁡x=S(x)\displaystyle S(-x)=2(-x)\sin(-x)=2x\sin x=S(x)

따라서∫−π/2π/2S(x) dx=2∫0π/2S(x) dx=2∫0π/22xsin⁡x dx=4∫0π/2xsin⁡x dx\displaystyle \begin{aligned}\int_{-\pi/2}^{\pi/2}S(x)\,dx&=2\int_0^{\pi/2}S(x)\,dx\\&=2\int_0^{\pi/2}2x\sin x\,dx\\&=4\int_0^{\pi/2}x\sin x\,dx\end{aligned}

부분적분을 이용하여 최종 적분식을 계산한다.4∫0π/2xsin⁡x dx=4[−xcos⁡x+sin⁡x]0π/2=4{(−π2cos⁡π2+sin⁡π2)−(0⋅cos⁡0+sin⁡0)}=4(1−0)=4\displaystyle \begin{aligned}4\int_0^{\pi/2}x\sin x\,dx&=4\Biggl[-x\cos x+\sin x\Biggr]_0^{\pi/2}\\&=4\left\{\left(-\frac\pi2\cos\frac\pi2+\sin\frac\pi2\right)-(0\cdot\cos0+\sin0)\right\}\\&=4(1-0)\\&=4\end{aligned}

따라서 구하는 값은 4이다.

등급채점 기준
상문제해결 방향과 계산이 명확하고 옳게 답을 구한 경우
중상문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 사소한 실수가 있는 경우
중하문제해결 방향을 맞게 설정했지만 계산에 중요한 실수나 계산을 끝까지 마치지 못한 경우
하잘못된 방향설정으로 답을 구하지 못한 경우

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