수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 3-2번

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문제

[문제 3] 다음 제시문 (가)~(라)를 읽고 문제에 답하시오.

(가) 두 함수 f:X→Y\displaystyle f:X\to Y, g:Y→Z\displaystyle g:Y\to Z의 합성함수 g∘f\displaystyle g\circ f는 (g∘f)(x)=g(f(x))\displaystyle (g\circ f)(x)=g(f(x))로 정의한다.

(나) 함수 f:X→Y\displaystyle f:X\to Y가 일대일 대응일 때 역함수 f−1:Y→X\displaystyle f^{-1}:Y\to X가 존재하고 다음과 같이 정의된다.

y=f(x)  ⟺  x=f−1(y)\displaystyle y=f(x)\iff x=f^{-1}(y)

(다) 미분가능한 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)에 대하여 다음이 성립한다.

∫f(x)g′(x) dx=f(x)g(x)−∫f′(x)g(x) dx\displaystyle \int f(x)g^{\prime}(x)\,dx=f(x)g(x)-\int f^{\prime}(x)g(x)\,dx

(라) 미분가능한 함수 g(t)\displaystyle g(t)에 대하여 x=g(t)\displaystyle x=g(t)로 놓으면 다음이 성립한다.

∫f(x) dx=∫f(g(t))g′(t) dt\displaystyle \int f(x)\,dx=\int f(g(t))g^{\prime}(t)\,dt

[문제 3-2] F(x)=2x+∫0xcos⁡(π2t2) dt\displaystyle F(x)=2x+\int_0^x\cos\left(\frac\pi2t^2\right)\,dt의 역함수에 대한 정적분 ∫02+αF−1(x) dx\displaystyle \int_0^{2+\alpha}F^{-1}(x)\,dx를 구하시오. (단, α=∫01cos⁡(π2t2) dt\displaystyle \alpha=\int_0^1\cos\left(\frac\pi2t^2\right)\,dt이다.) [15점]

문제 3-2 예시 답안

+5점 · [3-2] 역함수의 정의를 고려하여 ∫02+αF−1(x) dx=2+α−∫01F(x) dx\displaystyle \int_0^{2+\alpha}F^{-1}(x)\,dx=2+\alpha-\int_0^1F(x)\,dx을 유도하면 +5점 · [3-2] ∫01F(x) dx=[xF(x)]01−∫01xF′(x) dx=2+α−∫01{2x+xcos⁡(π2x2)} dx\displaystyle \int_0^1F(x)\,dx=\Biggl[xF(x)\Biggr]_0^1-\int_0^1xF^{\prime}(x)\,dx=2+\alpha-\int_0^1\left\{2x+x\cos\left(\frac\pi2x^2\right)\right\}\,dx을 얻으면

● 역함수의 정의를 고려하면 ∫02+αF−1(x) dx=2+α−∫01F(x) dx\displaystyle \int_0^{2+\alpha}F^{-1}(x)\,dx=2+\alpha-\int_0^1F(x)\,dx이다. 여기서 부분적분을 사용하면∫01F(x) dx=[xF(x)]01−∫01xF′(x) dx=2+α−∫01{2x+xcos⁡(π2x2)} dx\displaystyle \int_0^1F(x)\,dx=\Biggl[xF(x)\Biggr]_0^1-\int_0^1xF^{\prime}(x)\,dx=2+\alpha-\int_0^1\left\{2x+x\cos\left(\frac\pi2x^2\right)\right\}\,dx이다.

+5점 · [3-2] ∫01{2x+xcos⁡(π2x2)} dx=1+1π\displaystyle \int_0^1\left\{2x+x\cos\left(\frac\pi2x^2\right)\right\}\,dx=1+\frac1\pi을 계산하면

● 또한 치환적분을 사용하면 ∫01{2x+xcos⁡(π2x2)} dx=1+1π\displaystyle \int_0^1\left\{2x+x\cos\left(\frac\pi2x^2\right)\right\}\,dx=1+\frac1\pi이다.

● 따라서 ∫02+αF−1(x) dx=2+α−(2+α)+1+1π=1+1π\displaystyle \int_0^{2+\alpha}F^{-1}(x)\,dx=2+\alpha-(2+\alpha)+1+\frac1\pi=1+\frac1\pi이다.

※ 각 단계에서 답이 틀려도 논리성을 고려하여 부분 점수 2~3점 부여 가능

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