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

접선 거리로 정의된 함수의 적분

문제

함수 f(x)=12x2x+ln(1+x)\displaystyle f \left( x \right) = \frac{1}{2} x ^{2} - x + \ln \left( 1 + x \right) 와 양수 tt에 대하여 점 (s,f(s))(s>0)\left( s , f \left( s \right) \right) \left( s > 0 \right)에서 yy축에 내린 수선의 발과 곡선 y=f(x)y = f \left( x \right) 위의 점 (s,f(s))\left( s , f \left( s \right) \right)에서의 접선이 yy축과 만나는 점 사이의 거리가 tt가 되도록 하는 ss의 값을 g(t)g \left( t \right)라 하자. 12274g(t)dt\displaystyle \int _{\frac{1}{2}} ^{\frac{27}{4}} g \left( t \right) dt의 값은? [4점] 16112+ln3\displaystyle \frac{161}{12} + \ln 3403+ln3\displaystyle \frac{40}{3} + \ln 3534+ln2\displaystyle \frac{53}{4} + \ln 2796+ln2\displaystyle \frac{79}{6} + \ln 215712+ln2\displaystyle \frac{157}{12} + \ln 2

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해설

f(x)=12x2x+ln(1+x)\displaystyle f \left( x \right) = \frac{1}{2} x ^{2} - x + \ln \left( 1 + x \right)에서 f(x)=x1+11+x=(x1)(x+1)+1x+1=x2x+1\displaystyle f' \left( x \right) = x - 1 + \frac{1}{1 + x} = \frac{\left( x - 1 \right) \left( x + 1 \right) + 1}{x + 1} = \frac{x ^{2}}{x + 1} 곡선 y=f(x)y = f \left( x \right) 위의 점 (s,f(s))\left( s , f \left( s \right) \right)에서의 접선의 방정식은 yf(s)=f(s)(xs)y - f \left( s \right) = f' \left( s \right) \left( x - s \right) 이고 x=0x = 0을 대입하면 yf(s)=sf(s)y - f \left( s \right) = - sf' \left( s \right), 즉 y=f(s)sf(s)y = f \left( s \right) - s f' \left( s \right) 이므로 이 접선이 yy축과 만나는 점의 yy좌표는 f(s)sf(s)f \left( s \right) - sf' \left( s \right) 한편 점 (s,f(s))\left( s , f \left( s \right) \right)에서 yy축에 내린 수선의 발의 yy좌표는 f(s)f \left( s \right)이고 두 점 (0,f(s))\left( 0 , f \left( s \right) \right), (0,f(s)sf(s))\left( 0 , f \left( s \right) - sf' \left( s \right) \right) 사이의 거리가 tt이므로 tt=f(s){f(s)sf(s)}= \left| f \left( s \right) - \left\{ f \left( s \right) - sf' \left( s \right) \right\} \right| =sf(s)= \left| sf' \left( s \right) \right|=ss2s+1\displaystyle = \left| s \cdot \frac{s ^{2}}{s + 1} \right|=s3s+1\displaystyle = \left| \frac{s ^{3}}{s + 1} \right| =s3s+1(s>0)\displaystyle = \frac{s ^{3}}{s + 1} \left( \because s > 0 \right) 이때 s=g(t)s = g \left( t \right)이고 dtds=3s2(s+1)s3(s+1)2=2s3+3s2(s+1)2\displaystyle \frac{dt}{ds} = \frac{3 s ^{2} \left( s + 1 \right) - s ^{3}}{\left( s + 1 \right) ^{2}} = \frac{2 s ^{3} + 3 s ^{2}}{\left( s + 1 \right) ^{2}} t=12\displaystyle t = \frac{1}{2}일 때, s3s+1=12\displaystyle \frac{s ^{3}}{s + 1} = \frac{1}{2}에서 2s3s1=02 s ^{3} - s - 1 = 0, (s1)(2s2+2s+1)=0\left( s - 1 \right) \left( 2 s ^{2} + 2 s + 1 \right) = 0 \therefore s=1(2s2+2s+1>0)s = 1 \left( \because 2 s ^{2} + 2 s + 1 > 0 \right) t=274\displaystyle t = \frac{27}{4}일 때, s3s+1=274\displaystyle \frac{s ^{3}}{s + 1} = \frac{27}{4}에서 4s327s27=04 s ^{3} - 27 s - 27 = 0, (s3)(4s2+12s+9)=0\left( s - 3 \right) \left( 4 s ^{2} + 12 s + 9 \right) = 0 (s3)(2s+3)2=0\left( s - 3 \right) \left( 2 s + 3 \right) ^{2} = 0 \therefore s=3(s>0)s = 3 \left( \because s > 0 \right) \therefore 12274g(t)dt\displaystyle \int _{\frac{1}{2}} ^{\frac{27}{4}} {} g \left( t \right) dt =13s2s3+3s2(s+1)2ds\displaystyle = \int _{1} ^{3} {} s \cdot \frac{2 s ^{3} + 3 s ^{2}}{\left( s + 1 \right) ^{2}} ds =132s4+3s3(s+1)2ds\displaystyle = \int _{1} ^{3} {} \frac{2 s ^{4} + 3 s ^{3}}{\left( s + 1 \right) ^{2}} ds =132s2(s2+2s+1)s32s2(s+1)2ds\displaystyle = \int _{1} ^{3} {} \frac{2 s ^{2} \left( s ^{2} + 2 s + 1 \right) - s ^{3} - 2 s ^{2}}{\left( s + 1 \right) ^{2}} ds =13{2s2s(s2+2s+1)s(s+1)2}ds\displaystyle = \int _{1} ^{3} {} \left\{ 2 s ^{2} - \frac{s \left( s ^{2} + 2 s + 1 \right) - s}{\left( s + 1 \right) ^{2}} \right\} ds =13{2s2s+s(s+1)2}ds\displaystyle = \int _{1} ^{3} {} \left\{ 2 s ^{2} - s + \frac{s}{\left( s + 1 \right) ^{2}} \right\} ds =13{2s2s+1s+11(s+1)2}ds\displaystyle = \int _{1} ^{3} {} \left\{ 2 s ^{2} - s + \frac{1}{s + 1} - \frac{1}{\left( s + 1 \right) ^{2}} \right\} ds =[23s312s2+lns+1+1s+1]13\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \frac{2}{3} s ^{3} - \frac{1}{2} s ^{2} + \ln \left| s + 1 \right| + \frac{1}{s + 1} \end{array} \right] _{1} ^{3} =(1892+ln4+14)(2312+ln2+12)\displaystyle = \left( 18 - \frac{9}{2} + \ln 4 + \frac{1}{4} \right) - \left( \frac{2}{3} - \frac{1}{2} + \ln 2 + \frac{1}{2} \right) =(554+2ln2)(23+ln2)\displaystyle = \left( \frac{55}{4} + 2 \ln 2 \right) - \left( \frac{2}{3} + \ln 2 \right) =15712+ln2\displaystyle = \frac{157}{12} + \ln 2

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