수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 2-2번

문제

[문제 2] 다음을 읽고 문제에 답하시오.

● 실수 a,b\displaystyle a,b에 대하여 (a+b)4=a4+4a3b+6a2b2+4ab3+b4\displaystyle (a+b)^4=a^4+4a^3b+6a^2b^2+4ab^3+b^4이 성립한다.

● 수열 {an}\displaystyle \{a_n\}, {bn}\displaystyle \{b_n\}이 수렴하고 lim⁡n→∞an=α\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_n=\alpha, lim⁡n→∞bn=β\displaystyle \lim_{n\to\infty}b_n=\beta일 때, 다음 식이 성립한다.

lim⁡n→∞anbn=(lim⁡n→∞an)(lim⁡n→∞bn)=αβ,lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞anlim⁡n→∞bn=αβ(단, β≠0)\displaystyle \lim_{n\to\infty}a_nb_n=\left(\lim_{n\to\infty}a_n\right)\left(\lim_{n\to\infty}b_n\right)=\alpha\beta,\quad\lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{b_n}=\frac{\lim_{n\to\infty}a_n}{\lim_{n\to\infty}b_n}=\frac\alpha\beta\quad(\text{단, }\beta\ne0)

● 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 한 부정적분을 F(x)\displaystyle F(x)라 할 때, 다음 식이 성립한다.

∫abf(x) dx=F(b)−F(a)\displaystyle \int_a^bf(x)\,dx=F(b)-F(a)

● 미분가능한 함수 g(t)\displaystyle g(t)에 대하여 x=g(t)\displaystyle x=g(t)로 놓으면, 다음 식이 성립한다.

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

[문제 2-2] 닫힌구간 [0,20]\displaystyle [0,20]에서 정의된 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 식을 만족한다.

f(20−x)=−x2+20x−2(f(x))2\displaystyle f(20-x)=\sqrt{-x^2+20x-2(f(x))^2}

이때, 정적분 ∫010xf(x) dx\displaystyle \int_0^{10}xf(x)\,dx의 값을 구하시오. [15점]

해설강의 준비중

[문제 2-2]

+3점 · 20−x\displaystyle 20-x를 대입하여 새로운 식 2f(20−x)2+f(x)2=−x2+20x\displaystyle 2f(20-x)^2+f(x)^2=-x^2+20x을 얻으면

주어진 식을 제곱하여

2f(x)2+f(20−x)2=−x2+20x\displaystyle 2f(x)^2+f(20-x)^2=-x^2+20x

를 얻는다. 위 식의 양변에 2를 곱하여

4f(x)2+2f(20−x)2=−2x2+40x\displaystyle 4f(x)^2+2f(20-x)^2=-2x^2+40x

를 얻는다. 그리고 첫 번째 식에 x\displaystyle x대신 20−x\displaystyle 20-x를 대입하여

2f(20−x)2+f(x)2=−(20−x)2+20(20−x)=−x2+20x\displaystyle 2f(20-x)^2+f(x)^2=-(20-x)^2+20(20-x)=-x^2+20x

+3점 · f(x)2\displaystyle f(x)^2과 f(20−x)2\displaystyle f(20-x)^2에 대한 연립방정식을 풀어서 f(x)=13100−(x−10)2\displaystyle f(x)=\frac1{\sqrt3}\sqrt{100-(x-10)^2}를 얻으면

를 얻는다. 위의 식에서 아래의 식을 빼면

3f(x)2=−x2+20x=100−(x−10)2\displaystyle 3f(x)^2=-x^2+20x=100-(x-10)^2

를 얻을 수 있는데, 따라서

f(x)=13100−(x−10)2\displaystyle f(x)=\frac1{\sqrt3}\sqrt{100-(x-10)^2}

+3점 · 적분을 계산하기 위해 치환 적분을 이용하거나 원의 면적을 이용하면 +6점 · 계산을 수행하여 정답을 얻으면

이다. 적분에 이 식을 대입한 후 u=x−1010\displaystyle u=\frac{x-10}{10}으로 치환하여 적분을 계산한다.

∫010xf(x) dx=13∫010x100−(x−10)2 dx=10003∫−10(u+1)1−u2 du=10003(∫−101−u2 du+∫−10u1−u2 du)=10003(π4−13)\displaystyle \begin{aligned}\int_0^{10}xf(x)\,dx&=\frac1{\sqrt3}\int_0^{10}x\sqrt{100-(x-10)^2}\,dx\\&=\frac{1000}{\sqrt3}\int_{-1}^0(u+1)\sqrt{1-u^2}\,du\\&=\frac{1000}{\sqrt3}\left(\int_{-1}^0\sqrt{1-u^2}\,du+\int_{-1}^0u\sqrt{1-u^2}\,du\right)\\&=\frac{1000}{\sqrt3}\left(\frac\pi4-\frac13\right)\end{aligned}

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.