수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 3-1번

문제

[문제 3] 다음을 읽고 문제에 답하시오.

● 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

● 두 함수 y=f(u)\displaystyle y=f(u), u=g(x)\displaystyle u=g(x)가 각각 u\displaystyle u, x\displaystyle x에 대하여 미분가능하면, 합성함수 y=f(g(x))\displaystyle y=f(g(x))도 x\displaystyle x에 대하여 미분가능하고, 그 도함수는 dydx=dydududx\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\frac{du}{dx}이다.

● x\displaystyle x의 함수 y\displaystyle y가 음함수 f(x,y)=0\displaystyle f(x,y)=0의 꼴로 주어졌을 때, y\displaystyle y를 x\displaystyle x의 함수로 보고 각 항을 x\displaystyle x에 대하여 미분한 후 dydx\displaystyle \frac{dy}{dx}를 구한다.

[문제 3-1] 함수 F(x)=∫0xsin⁡2t dt\displaystyle F(x)=\int_0^x\sin^2t\,dt에 대하여, 다음 정적분의 값을 구하시오. (단, 각 θ\displaystyle \theta에 대하여 sin⁡2θ=1−cos⁡2θ2\displaystyle \sin^2\theta=\frac{1-\cos2\theta}2가 성립한다.) [10점]

∫0π(2x−sin⁡(2x))eF(x)sin⁡2x dx\displaystyle \int_0^\pi(2x-\sin(2x))e^{F(x)}\sin^2x\,dx

해설강의 준비중

[문제 3-1]

+3점 · [(2x−sin⁡2x)eF(x)]0π−∫0π(2−2cos⁡2x)eF(x) dx\displaystyle \Biggl[(2x-\sin2x)e^{F(x)}\Biggr]_0^\pi-\int_0^\pi(2-2\cos2x)e^{F(x)}\,dx 하면 +3점 · sin⁡2x dx=12−12cos⁡2x\displaystyle \sin^2x\,dx=\frac12-\frac12\cos2x 이용하여 2πeF(π)−4eF(π)+4\displaystyle 2\pi e^{F(\pi)}-4e^{F(\pi)}+4 구하면

Correction. [3-1] 대학 답안과 채점기준의 삼각함수 항등식에 붙은 dx\displaystyle dx는 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

문제에 주어진 식 sin⁡2x dx=1−cos⁡2x2\displaystyle \sin^2x\,dx=\frac{1-\cos2x}2과 부분적분을 이용하면 적분을 다음과 같이 정리할 수 있다.Correction. [3-1] 대학 답안과 채점기준의 삼각함수 항등식에 붙은 dx\displaystyle dx는 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[(2x−sin⁡2x)eF(x)]0π−∫0π(2−2cos⁡2x)eF(x) dx=2πeF(π)−∫0πeF(x)4sin⁡2x dx=2πeF(π)−[4eF(x)]0π=2πeF(π)−4eF(π)+4\displaystyle \begin{aligned}&\Biggl[(2x-\sin2x)e^{F(x)}\Biggr]_0^\pi-\int_0^\pi(2-2\cos2x)e^{F(x)}\,dx\\&\qquad=2\pi e^{F(\pi)}-\int_0^\pi e^{F(x)}4\sin^2x\,dx\\&\qquad=2\pi e^{F(\pi)}-\Biggl[4e^{F(x)}\Biggr]_0^\pi=2\pi e^{F(\pi)}-4e^{F(\pi)}+4\end{aligned}

+4점 · ∫0πsin⁡2x dx=π2\displaystyle \int_0^\pi\sin^2x\,dx=\frac\pi2 계산해서 정답 (2π−4)eπ2+4\displaystyle (2\pi-4)e^{\frac\pi2}+4 구하면

이다. F(π)=∫0πsin⁡2x dx=[12x−14sin⁡2x]0π=π2\displaystyle F(\pi)=\int_0^\pi\sin^2x\,dx=\Biggl[\frac12x-\frac14\sin2x\Biggr]_0^\pi=\frac\pi2를 대입하여 정답 (2π−4)eπ2+4\displaystyle (2\pi-4)e^{\frac\pi2}+4을 얻는다.

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