미적분Ⅱ여러 가지 적분법수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

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문제

함수 f(x)=0x(t+x)cos(tx)dt\displaystyle f ( x ) = \int _{0} ^{x} {} ( t + x ) \cos ( t - x ) dt에 대하여 f(x)f ( x )x=αx = \alpha (0<α<π)( 0 < \alpha < \pi )에서 극값을 가질 때, <보기>에서 옳은 것만을 있는 대로 고른 것은? [4점]

〈보 기〉
ㄱ. 모든 양의 실수 xx에 대하여 f(x)=f(x)f ( x ) = f ( - x )이다. ㄴ. tanα=α2\displaystyle \tan \alpha = - \frac{\alpha}{2} ㄷ. ααf(x)dx=4αα2+4+2α\displaystyle \int _{- \alpha} ^{\alpha} {} f ( x ) dx = - \frac{4 \alpha}{\sqrt{\alpha ^{2} + 4}} + 2 \alpha

ㄱ, ㄴㄱ, ㄷㄱ, ㄴ, ㄷ

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해설

[출제의도] 치환적분법을 이용하여 추론하기 tx=kt - x = k로 놓으면 1=dkdt\displaystyle 1 = \frac{dk}{dt}이고, t=0t = 0일 때 k=xk = - x, t=xt = x일 때 k=0k = 0이므로 f(x)=0x(t+x)cos(tx)dt=x0(k+2x)coskdk\displaystyle f ( x ) = \int _{0} ^{x} {} ( t + x ) \cos ( t - x ) dt = \int _{- x} ^{0} {} ( k + 2 x ) \cos k dk =[(k+2x)sink]x0x0sinkdk\displaystyle = \left[ ( k + 2 x ) \sin k \right] _{- x} ^{0} - \int _{- x} ^{0} {} \sin k dk =xsinx(x)[cosk]x0= - x \sin x ( - x ) - \left[ - \cos k \right] _{- x} ^{0} =xsinx+1cos(x)= x \sin x + 1 - \cos ( - x ) =xsinxcosx+1= x \sin x - \cos x + 1 ㄱ. f(x)=xsin(x)cos(x)+1=xsinxcosx+1f ( - x ) = - x \sin ( - x ) - \cos ( - x ) + 1 = x \sin x - \cos x + 1 이므로 f(x)=f(x)f ( x ) = f ( - x ) (참) ㄴ. f(x)=sinx+xcosx+sinx=2sinx+xcosxf' ( x ) = \sin x + x \cos x + \sin x = 2 \sin x + x \cos x f(x)f ( x )가 미분가능하고 x=αx = \alpha에서 극값을 가지므로 f(α)=2sinα+αcosα=0f' ( \alpha ) = 2 \sin \alpha + \alpha \cos \alpha = 0이다. 2tanα+α=02 \tan \alpha + \alpha = 0이므로 tanα=α2\displaystyle \tan \alpha = - \frac{\alpha}{2} (참) ㄷ. tanα=α2<0\displaystyle \tan \alpha = - \frac{\alpha}{2} < 0이므로 π2<α<π\displaystyle \frac{\pi}{2} < \alpha < \pi sec2α=1+tan2α\sec ^{2} \alpha = 1 + \tan ^{2} \alpha이므로 sec2α=1+(α2)2\displaystyle \sec ^{2} \alpha = 1 + \left( - \frac{\alpha}{2} \right) ^{2}에서 1cos2α=α2+44\displaystyle \frac{1}{\cos ^{2} \alpha} = \frac{\alpha ^{2} + 4}{4} cos2α=4α2+4\displaystyle \cos ^{2} \alpha = \frac{4}{\alpha ^{2} + 4} π2<α<π\displaystyle \frac{\pi}{2} < \alpha < \pi일 때 cosα<0\cos \alpha < 0이므로 cosα=2α2+4\displaystyle \cos \alpha = - \frac{2}{\sqrt{\alpha ^{2} + 4}} ααf(x)dx=20αf(x)dx\displaystyle \int _{- \alpha} ^{\alpha} {} f ( x ) dx = 2 \int _{0} ^{\alpha} {} f ( x ) dx이므로 0αf(x)dx=0α(xsinxcosx+1)dx\displaystyle \int _{0} ^{\alpha} {} f ( x ) dx = \int _{0} ^{\alpha} {} ( x \sin x - \cos x + 1 ) dx =[xcosx]0α+α=αcosα+α= \left[ - x \cos x \right] _{0} ^{\alpha} + \alpha = - \alpha \cos \alpha + \alpha =2αα2+4+α\displaystyle = \frac{2 \alpha}{\sqrt{\alpha ^{2} + 4}} + \alpha ααf(x)dx=4αα2+4+2α\displaystyle \int _{- \alpha} ^{\alpha} {} f ( x ) dx = \frac{4 \alpha}{\sqrt{\alpha ^{2} + 4}} + 2 \alpha (거짓) 따라서 옳은 것은 ㄱ, ㄴ

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