미적분Ⅰ정적분의 활용수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

곡선과 직선 넓이 관계

문제

그림과 같이 함수 f(x)=3x27x+2f \left( x \right) = 3 x ^{2} - 7 x + 2에 대하여 곡선 y=f(x)y = f \left( x \right)와 직선 y=13x23\displaystyle y = \frac{1}{3} x - \frac{2}{3}yy축으로 둘러싸인 영역을 AA, 곡선 y=f(x)y = f \left( x \right)와 직선 y=13x23\displaystyle y = \frac{1}{3} x - \frac{2}{3}로 둘러싸인 영역을 BB, 곡선 y=f(x)y = f \left( x \right)와 두 직선 y=13x23\displaystyle y = \frac{1}{3} x - \frac{2}{3}, x=k(k>2)x = k \left( k > 2 \right)로 둘러싸인 영역을 CC라 하자. (A\left( A \right.의 넓이)+(C\left. \right) + \left( C \right.의 넓이)=(B\left. \right) = \left( B \right.의 넓이)\left. \right) 일 때, 상수 kk의 값은? [4점]

2912\displaystyle \frac{29}{12}52\displaystyle \frac{5}{2}3112\displaystyle \frac{31}{12}83\displaystyle \frac{8}{3}114\displaystyle \frac{11}{4}

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해설

직선 y=13x23\displaystyle y = \frac{1}{3} x - \frac{2}{3}에서 g(x)=13x23\displaystyle g \left( x \right) = \frac{1}{3} x - \frac{2}{3}라 하고, 함수 y=f(x)y = f \left( x \right)의 그래프와 직선 y=g(x)y = g \left( x \right)의 두 교점의 xx좌표를 각각 α\alpha, β\beta (단, α<β\alpha < \beta)라 하자. 그림에서 세 영역 AA, BB, CC의 넓이를 각각 S1S _{1}, S2S _{2}, S3S _{3}라 하면 S1S _{1}=0α{f(x)g(x)}dx\displaystyle = \int _{0} ^{\alpha} \left\{ f \left( x \right) - g \left( x \right) \right\} dx S2S _{2}=αβ{g(x)f(x)}dx\displaystyle = \int _{\alpha} ^{\beta} \left\{ g \left( x \right) - f \left( x \right) \right\} dx S3S _{3}=βk{f(x)g(x)}dx\displaystyle = \int _{\beta} ^{k} \left\{ f \left( x \right) - g \left( x \right) \right\} dx (A\left( A \right.의 넓이))+(C+ \left( C \right.의 넓이)=(B) = \left( B \right.의 넓이))이므로 S1+S3=S2S _{1} + S _{3} = S _{2}, S1S2+S3=0S _{1} - S _{2} + S _{3} = 0 이때 S1S2+S3S _{1} - S _{2} + S _{3} =0α{f(x)g(x)}dx\displaystyle = \int _{0} ^{\alpha} \left\{ f \left( x \right) - g \left( x \right) \right\} dxαβ{g(x)f(x)}dx\displaystyle - \int _{\alpha} ^{\beta} \left\{ g \left( x \right) - f \left( x \right) \right\} dx+βk{f(x)g(x)}dx\displaystyle + \int _{\beta} ^{k} \left\{ f \left( x \right) - g \left( x \right) \right\} dx =0α{f(x)g(x)}dx\displaystyle = \int _{0} ^{\alpha} \left\{ f \left( x \right) - g \left( x \right) \right\} dx+αβ{f(x)g(x)}dx\displaystyle + \int _{\alpha} ^{\beta} \left\{ f \left( x \right) - g \left( x \right) \right\} dx+βk{f(x)g(x)}dx\displaystyle + \int _{\beta} ^{k} \left\{ f \left( x \right) - g \left( x \right) \right\} dx =0k{f(x)g(x)}dx\displaystyle = \int _{0} ^{k} \left\{ f \left( x \right) - g \left( x \right) \right\} dx 이므로 0k{f(x)g(x)}dx\displaystyle \int _{0} ^{k} \left\{ f \left( x \right) - g \left( x \right) \right\} dx=0= 0 \cdots\cdotsf(x)g(x)f \left( x \right) - g \left( x \right)=3x2223x+83\displaystyle = 3 x ^{2} - \frac{22}{3} x + \frac{8}{3}이고, 이를 ㉠에 대입하면 0k(3x2223x+83)dx=0\displaystyle \int _{0} ^{k} \left( 3 x ^{2} - \frac{22}{3} x + \frac{8}{3} \right) dx = 0 [x3113x2+83x]0k=0\displaystyle \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} x ^{3} - \frac{11}{3} x ^{2} + \frac{8}{3} x \end{array} \right] _{0} ^{k} = 0 k3113k2+83k=0\displaystyle k ^{3} - \frac{11}{3} k ^{2} + \frac{8}{3} k = 0, k(3k211k+8)=0k \left( 3 k ^{2} - 11 k + 8 \right) = 0 k(k1)(3k8)=0k \left( k - 1 \right) \left( 3 k - 8 \right) = 0 k>2k > 2이므로 k=83\displaystyle k = \frac{8}{3}

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