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

선분 길이의 정적분

문제

좌표평면에서 원점을 중심으로 하고 반지름의 길이가 22인 원 CC와 두 점 A(2,0)\mathrm{A} \left( 2 , 0 \right), B(0,2)\mathrm{B} \left( 0 , - 2 \right)가 있다. 원 CC 위에 있고 xx좌표가 음수인 점 P\mathrm{P}에 대하여 PAB=θ\mathrm{\angle} PAB = \theta라 하자. 점 Q(0,2cosθ)\mathrm{Q} \left( 0 , 2 \cos \theta \right)에서 직선 BP\mathrm{BP}에 내린 수선의 발을 R\mathrm{R}라 하고, 두 점 P\mathrm{P}R\mathrm{R} 사이의 거리를 f(θ)f \left( \theta \right)라 할 때, π6π3f(θ)dθ\displaystyle \int _{\frac{\pi}{6}} ^{\frac{\pi}{3}} {f \left( \theta \right) d \theta}의 값은? [4점] 2332\displaystyle \frac{2 \sqrt{3} - 3}{2}31\displaystyle \sqrt{3} - 13332\displaystyle \frac{3 \sqrt{3} - 3}{2}2312\displaystyle \frac{2 \sqrt{3} - 1}{2}4332\displaystyle \frac{4 \sqrt{3} - 3}{2}

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해설

[출제의도] 삼각함수의 적분법과 부분적분법을 이용하여 정적분의 값을 구할 수 있는가?

QB=2+2cosθ=2(1+cosθ)\displaystyle \overline{QB} = 2 + 2 \cos \theta = 2 \left( 1 + \cos \theta \right)이고 직각삼각형 QRB\mathrm{QRB}에서 QBR=π2θ\displaystyle \angle {\mathrm{Q}} \mathit{\mathrm{B}} \mathit{\mathrm{R}} \mathit{=} \frac{\pi}{2} - \theta이므로 BR=QB×cos(π2θ)=2(1+cosθ)sinθ\displaystyle \overline{{\mathrm{B}} \mathit{\mathrm{R}}} = \overline{{\mathrm{Q}} \mathit{\mathrm{B}}} \times \cos \left( \frac{\pi}{2} - \theta \right) = 2 \left( 1 + \cos \theta \right) \sin \theta 삼각형 APB\mathrm{\mathrm{A}} \mathit{\mathrm{P}} \mathit{\mathrm{B}}의 외접원의 반지름의 길이가 22이므로 사인법칙에 의해 BPsinθ=2×2\displaystyle \frac{\overline{{\mathrm{B}} \mathit{\mathrm{P}}}}{\sin \theta} = 2 \times 2이므로 BP=4sinθ\displaystyle \overline{{\mathrm{B}} \mathit{\mathrm{P}}} = 4 \sin \theta 따라서 f(θ)f \left( \theta \right)=BPBR\displaystyle = \overline{{\mathrm{B}} \mathit{\mathrm{P}}} - \overline{{\mathrm{B}} \mathit{\mathrm{R}}} =4sinθ2(1+cosθ)sinθ= 4 \sin \theta - 2 \left( 1 + \cos \theta \right) \sin \theta =2sinθ2cosθsinθ= 2 \sin \theta - 2 \cos \theta \sin \theta이므로 π6π3f(θ)dθ\displaystyle \int _{\frac{\pi}{6}} ^{\frac{\pi}{3}} {f \left( \theta \right) d \theta}=π6π3(22cosθ)sinθdθ\displaystyle = \int _{\frac{\pi}{6}} ^{\frac{\pi}{3}} {\left( 2 - 2 \cos \theta \right) \sin \theta d \theta} =[2cosθsin2θ]π6π3\displaystyle = \left[ \begin{array}{l} - 2 \cos \theta - \sin ^{2} \theta \begin{matrix} \\ \end{matrix} \end{array} \right] _{\frac{\pi}{6}} ^{\frac{\pi}{3}} =(2cosπ3sin2π3)(2cosπ6sin2π6)\displaystyle = \left( - 2 \cos \frac{\pi}{3} - \sin ^{2} \frac{\pi}{3} \right) - \left( - 2 \cos \frac{\pi}{6} - \sin ^{2} \frac{\pi}{6} \right) =(134)(314)\displaystyle = \left( - 1 - \frac{3}{4} \right) - \left( - \sqrt{3} - \frac{1}{4} \right) =2332\displaystyle = \frac{2 \sqrt{3} - 3}{2}

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