미적분Ⅱ정적분의 활용수능 기출기본 문제 (3점 중반)

반원 단면 입체

문제

그림과 같이 곡선 y=2xxsinx2(0xπ)\displaystyle y = 2 x \sqrt{x \sin x ^{2}} \left( 0 \leq x \leq \sqrt{\pi} \right)xx축 및 두 직선 x=π6\displaystyle x = \sqrt{\frac{\pi}{6}}, x=π2\displaystyle x = \sqrt{\frac{\pi}{2}}로 둘러싸인 부분을 밑면으로 하는 입체도형이 있다. 이 입체도형을 xx축에 수직인 평면으로 자른 단면이 모두 반원일 때, 이 입체도형의 부피는? [3점]

π2+6π48\displaystyle \frac{\pi ^{2} + 6 \pi}{48}2π2+6π48\displaystyle \frac{\sqrt{2} \pi ^{2} + 6 \pi}{48}3π2+6π48\displaystyle \frac{\sqrt{3} \pi ^{2} + 6 \pi}{48}2π2+12π48\displaystyle \frac{\sqrt{2} \pi ^{2} + 12 \pi}{48}3π2+12π48\displaystyle \frac{\sqrt{3} \pi ^{2} + 12 \pi}{48}

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해설

직선 x=t(π6tπ2)\displaystyle x = t \left( \sqrt{\frac{\pi}{6}} \leq t \leq \sqrt{\frac{\pi}{2}} \right)를 포함하고 xx축에 수직인 평면으로 자른 단면의 넓이를 S(t)S \left( t \right)라 하면 S(t)=12π(ttsint2)2=12πt3sint2\displaystyle S \left( t \right) = \frac{1}{2} \pi \left( t \sqrt{t \sin t ^{2}} \right) ^{2} = \frac{1}{2} \pi t ^{3} \sin t ^{2} 따라서 구하는 부피를 VV라 하면 V=π6π2S(t)dt=π6π212πt3sint2dt\displaystyle V = \int _{\sqrt{\frac{\pi}{6}}} ^{\sqrt{\frac{\pi}{2}}} {S' \left( t \right) dt} = \int _{\sqrt{\frac{\pi}{6}}} ^{\sqrt{\frac{\pi}{2}}} {\frac{1}{2} \pi t ^{3} \sin t ^{2} dt} t2=st ^{2} = s라 하면 dsdt=2t\displaystyle \frac{ds}{dt} = 2 t이고 t=π6\displaystyle t = \sqrt{\frac{\pi}{6}}일 때 s=π6\displaystyle s = \frac{\pi}{6}, t=π2\displaystyle t = \sqrt{\frac{\pi}{2}}일 때 s=π2\displaystyle s = \frac{\pi}{2}이므로 V=π6π2π4×ssinsds=π4π6π2ssinsds\displaystyle V = \int _{\frac{\pi}{6}} ^{\frac{\pi}{2}} {\frac{\pi}{4} \times s \sin s ds} = \frac{\pi}{4} \int _{\frac{\pi}{6}} ^{\frac{\pi}{2}} {s \sin s ds} u(s)=su \left( s \right) = s, v(s)=sinsv' \left( s \right) = \sin s라 하면 u(s)=1u' \left( s \right) = 1, v(s)=cossv \left( s \right) = - \cos s이므로 VV=π4×{[scoss]π6π2π6π2(coss)ds}\displaystyle = \frac{\pi}{4} \times \left\{ \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} - s \cos s \end{array} \right] _{\frac{\pi}{6}} ^{\frac{\pi}{2}} - \int _{\frac{\pi}{6}} ^{\frac{\pi}{2}} {\left( - \cos s \right) ds} \end{array} \right\} =π4×[scoss+sins]π6π2\displaystyle = \frac{\pi}{4} \times \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} - s \cos s + \sin s \end{array} \right] _{\frac{\pi}{6}} ^{\frac{\pi}{2}} =3π2+6π48\displaystyle = \frac{\sqrt{3} \pi ^{2} + 6 \pi}{48}

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