미적분Ⅱ정적분의 활용수능 기출발전 문제 (3점 후반~4점 초반)

정삼각형 단면 부피

문제

곡선 y=exy = e ^{x}yy축 및 직선 y=ey = e로 둘러싸인 도형을 밑면으로 하는 입체도형이 있다. 이 입체도형을 yy축에 수직인 평면으로 자른 단면이 모두 정삼각형일 때, 이 입체도형의 부피는? [4점] 3(e+1)4\displaystyle \frac{\sqrt{3} ( e + 1 )}{4}3(e1)2\displaystyle \frac{\sqrt{3} ( e - 1 )}{2}3(e1)4\displaystyle \frac{\sqrt{3} ( e - 1 )}{4}3(e2)2\displaystyle \frac{\sqrt{3} {( e - 2 )}}{2}3(e2)4\displaystyle \frac{\sqrt{3} {( e - 2 )}}{4}

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해설

[출제의도] 정적분을 활용하여 입체도형의 부피 구하는 문제를 해결한다.

y=exy = e ^{x}의 역함수는 y=lnxy = \ln x이므로 점 (0,1)( 0 , 1 )은 점 (1,0)( 1 , 0 )으로, 점 (0,e)( 0 , e )는 점 (e,0)( e , 0 )으로 이동한다. 그런데 x=tx = t(1te1 \leq t \leq e)일 때 정삼각형의 한 변의 길이는 lnt\ln t이므로 정삼각형의 넓이를 S(t)S ( t )라 하면 S(t)S ( t )=34×(lnt)2\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \times ( \ln t ) ^{2} 따라서 구하는 부피는 1eS(t)dt\displaystyle \int _{1} ^{e} S ( t ) dt=341e(lnt)2dt\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \int _{1} ^{e} {( \ln t ) ^{2}} dt=34{[t(lnt)2]1e1et(2×1t×lnt)dt}\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \left\{ \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} t ( \mathrm{\ln} \mathit{t} ) ^{2} \end{array} \right] _{1} ^{e} - \int _{1} ^{e} t \left( 2 \times \frac{1}{t} \times {\ln t} \right) dt \end{array} \right\}=34{[t(lnt)2]1e21elntdt}\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \left\{ \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} t ( \mathrm{\ln} \mathit{t} ) ^{2} \end{array} \right] _{1} ^{e} - 2 \int _{1} ^{e} {\ln t} dt \end{array} \right\}=34{[t(lnt)2]1e2[tlntt]1e}\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \left\{ \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} t ( \mathrm{\ln} \mathit{t} ) ^{2} \end{array} \right] _{1} ^{e} - 2 \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} t \mathrm{\ln} \mathit{t} - t \end{array} \right] _{1} ^{e} \end{array} \right\} =34(e2)\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} ( e - 2 ) [다른 풀이] lnxdx=xlnxx+C\displaystyle \int \ln x dx = x \ln x - x + C(단, CC는 적분상수)이므로 1eS(t)dt\displaystyle \int _{1} ^{e} S ( t ) dt=341e(lnt)2dt\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \int _{1} ^{e} {( \ln t ) ^{2}} dt =34{[lnt(tlntt)]1e1e(lnt1)dt}\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \left\{ \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \mathrm{\ln} \mathit{t} ( t \ln t - t ) \end{array} \right] _{1} ^{e} - \int _{1} ^{e} {( \ln t - 1 )} dt \end{array} \right\}=34{[lnt(tlntt)]1e[tlnt2t]1e}\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \left\{ \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \mathrm{\ln} \mathit{t} ( t \ln t - t ) \end{array} \right] _{1} ^{e} - \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} t \mathrm{\ln} \mathit{t} - 2 t \end{array} \right] _{1} ^{e} \end{array} \right\}=34(e2)\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} ( e - 2 ) [다른 풀이] 함수 f(x)=exf \left( x \right) = e ^{x}의 역함수를 f1(x)f ^{- 1} \left( x \right)라 하고, 입체도형의 부피를 VV라 하면 V=1e34{f1(y)}2dy\displaystyle V = \int _{1} ^{e} {\frac{\sqrt{3}}{4} \left\{ f ^{- 1} \left( y \right) \right\} ^{2}} dy 이다. y=f(x)y = f \left( x \right)에서 f1(y)=xf ^{- 1} \left( y \right) = x이고 y=f(x)y = f \left( x \right)의 양변을 xx에 대하여 미분하면 dydx=f(x)=ex\displaystyle \frac{dy}{dx} = f' \left( x \right) = e ^{x}이므로 VV=3401x2f(x)dx\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \int _{0} ^{1} {} x ^{2} f' \left( x \right) dx =3401x2exdx\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \int _{0} ^{1} {} x ^{2} e ^{x} dx =34{[x2ex]01201xexdx}\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \left\{ \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} x ^{2} e ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} - 2 \int _{0} ^{1} {x e ^{x} dx} \end{array} \right\} =34{[x2ex]012([xex]0101exdx)}\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \left\{ \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} x ^{2} e ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} - 2 \left( \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} xe ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} - \int _{0} ^{1} {e ^{x}} dx \end{array} \right) \end{array} \right\} =34{[x2ex]012([xex]01[ex]01)}\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} \left\{ \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} x ^{2} e ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} - 2 \left( \begin{array}{l} \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} xe ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} - \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} e ^{x} \end{array} \right] _{0} ^{1} \end{array} \right) \end{array} \right\} =34(e2)\displaystyle = \frac{\sqrt{3}}{4} ( e - 2 )

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