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

굴러가는 원 이동거리

문제

[그림 1]과 같이 좌표평면 위에 중심이 원점이고 반지름의 길이가 44인 큰 원 C1C _{1}과 반지름의 길이가 11인 작은 원 C2C _{2}가 점 (4,0)( 4 , 0 )에서 외접하고 있다. 이때 작은 원 위의 한 점을 P\mathrm{P}라 하자. [그림 2]와 같이 원 C2C _{2}가 원 C1C _{1}에 접한 상태로 굴러갈 때, 두 원의 중심을 연결한 선분이 xx축의 양의 방향과 이루는 각의 크기를 θ\theta라 하자. θ\theta의 값이 00에서 π2\displaystyle \frac{\pi}{2}까지 변할 때, 점 (4,0)( 4 , 0 )에서 출발한 점 P\mathrm{P}가 움직인 거리는? [4점]

[그림 1] [그림 2] 8899101011111212

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해설

P\mathrm{P}에 대하여 OP\mathrm{\vec{OP}}의 위치벡터를 (x,y)\left( x , y \right)라 하면 θ\theta00에서 π2\displaystyle \frac{\pi}{2}까지 변할 때, 점 P\mathrm{P}가 움직인 거리는 0π2(dxdθ)2+(dydθ)2dθ\displaystyle \int _{0} ^{\frac{\pi}{2}} \sqrt{\left( \frac{dx}{d \theta} \right) ^{2} + \left( \frac{dy}{d \theta} \right) ^{2}} \cdot d \theta이다.

C2C _{2}의 중심을 O\mathrm{O}'이라 하면 OO=(5cosθ,5sinθ)\mathrm{\vec{OO}}' = \left( 5 \cos \theta , 5 \sin \theta \right), OP\mathrm{\vec{O' P}}=(cos(π+5θ),sin(π+5θ))= \left( \cos ( \pi + 5 \theta ) , \sin ( \pi + 5 \theta ) \right)=(cos5θ,sin5θ)= \left( - \cos 5 \theta , - \sin 5 \theta \right) 이므로 OP\mathrm{\vec{OP}}=OO+OP= \mathrm{\vec{OO'}} + \vec{O}' P=(5cosθcos5θ,5sinθsin5θ)= \left( 5 \cos \theta - \cos 5 \theta , 5 \sin \theta - \sin 5 \theta \right)dxdθ\displaystyle \frac{dx}{d \theta}=5sinθ+5sin5θ= - 5 \sin \theta + 5 \sin 5 \theta dydθ\displaystyle \frac{dy}{d \theta}=5cosθ5cos5θ= 5 \cos \theta - 5 \cos 5 \theta (dxdθ)2+(dydθ)2\displaystyle \left( \frac{dx}{d \theta} \right) ^{2} + \left( \frac{dy}{d \theta} \right) ^{2} =(5sinθ+5sin5θ)2+(5cosθ5cos5θ)2= \left( - 5 \sin \theta + 5 \sin 5 \theta \right) ^{2} + \left( 5 \cos \theta - 5 \cos 5 \theta \right) ^{2} =5050(sinθsin5θ+cosθcos5θ)= 50 - 50 \left( \sin \theta \sin 5 \theta + \cos \theta \cos 5 \theta \right) =5050cos4θ= 50 - 50 \cos 4 \theta =5050(12sin22θ)= 50 - 50 ( 1 - 2 \sin ^{2} 2 \theta ) =100sin22θ= 100 \sin ^{2} 2 \theta0π2(dxdθ)2+(dydθ)2dθ\displaystyle \int _{0} ^{\frac{\pi}{2}} \sqrt{\left( \frac{dx}{d \theta} \right) ^{2} + \left( \frac{dy}{d \theta} \right) ^{2}} \cdot d \theta =0π210sin2θdθ\displaystyle = \int _{0} ^{\frac{\pi}{2}} 10 \sin 2 \theta d \theta=[5cos2θ]0π2\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} - 5 \cos 2 \theta \end{array} \right] _{0} ^{\frac{\pi}{2}}=10= 10

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