수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

※ 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

[가] 함수 y=f(t)\displaystyle y=f(t)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고, f(t)≥0\displaystyle f(t)\ge0이라 하자.닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 속하는 x\displaystyle x에 대하여 a\displaystyle a에서 x\displaystyle x까지 곡선 y=f(t)\displaystyle y=f(t)와 t\displaystyle t축 사이의 넓이를 S(x)\displaystyle S(x)라 하면,S(x)=∫axf(t)dt\displaystyle S(x)=\int_a^x f(t)dt이다.-『고등학교 미적분 I』

[나] x\displaystyle x의 증분 Δx\displaystyle \Delta x는 0에 가깝게 이웃하는 두 x\displaystyle x값의 차이를 의미한다. x\displaystyle x의 증분 Δx(Δx>0)\displaystyle \Delta x(\Delta x>0)에 대한 S(x)\displaystyle S(x)의 증분을 ΔS\displaystyle \Delta S라 하면,ΔS=S(x+Δx)−S(x)\displaystyle \Delta S=S(x+\Delta x)-S(x)이다.-『고등학교 미적분 I』

[다] 닫힌 구간 [x,x+Δx]\displaystyle [x,x+\Delta x]에서 함수 f(t)\displaystyle f(t)가 연속이면 이 구간에서 최댓값 M\displaystyle M과 최솟값 m\displaystyle m을 가진다.-『고등학교 미적분 I』

제시문을 이용하여, 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이면ddx∫axf(t)dt=f(x)(a<x<b)\displaystyle \frac{d}{dx}\int_a^x f(t)dt=f(x)\quad(a<x<b)이 됨을 설명하시오.

해설강의 준비중
1단계 · 제시문 [가]를 사용하여 S(x)=∫axf(t)dt\displaystyle S(x)=\int_a^x f(t)dt를 기술한다.

함수 y=f(t)\displaystyle y=f(t)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 f(t)≥0\displaystyle f(t)\ge0일 때, 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 속하는 x\displaystyle x에 대하여 a\displaystyle a에서 x\displaystyle x까지 곡선 y=f(t)\displaystyle y=f(t)와 t\displaystyle t축 사이의 넓이를 S(x)\displaystyle S(x)라 하면,S(x)=∫axf(t)dt\displaystyle S(x)=\int_a^x f(t)dt이다.

2단계 · 제시문 [나]를 이용하여 ΔS=S(x+Δx)−S(x)\displaystyle \Delta S=S(x+\Delta x)-S(x)를 기술한다.

이때 x\displaystyle x의 증분 Δx(Δx>0)\displaystyle \Delta x(\Delta x>0)에 대한 S(x)\displaystyle S(x)의 증분을 ΔS\displaystyle \Delta S라 하면,ΔS=S(x+Δx)−S(x)\displaystyle \Delta S=S(x+\Delta x)-S(x)이다.

3단계 · 제시문 [다]를 이용하여 m≤ΔSΔx≤M\displaystyle m\le\frac{\Delta S}{\Delta x}\le M을 유도한다.

한편, 닫힌 구간 [x,x+Δx]\displaystyle [x,x+\Delta x]에서 함수 f(t)\displaystyle f(t)가 연속이면 이 구간에서 최댓값과 최솟값을 가진다. 그 최댓값과 최솟값을 각각 M\displaystyle M과 m\displaystyle m이라고 하면mΔx≤ΔS≤MΔx\displaystyle m\Delta x\le\Delta S\le M\Delta x이므로m≤ΔSΔx≤M\displaystyle m\le\frac{\Delta S}{\Delta x}\le M이다.

4단계 · m→f(x),M→f(x)\displaystyle m\to f(x), M\to f(x)을 활용하여 f(x)≤lim⁡Δx→0ΔSΔx≤f(x)\displaystyle f(x)\le\lim_{\Delta x\to0}\frac{\Delta S}{\Delta x}\le f(x)를 유도한다.

함수 y=f(t)\displaystyle y=f(t)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이므로Δx→0\displaystyle \Delta x\to0이면 m→f(x), M→f(x)\displaystyle m\to f(x),\ M\to f(x)이다. 따라서 f(x)≤lim⁡Δx→0ΔSΔx≤f(x)\displaystyle f(x)\le\lim_{\Delta x\to0}\frac{\Delta S}{\Delta x}\le f(x)이고,함수 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 도함수는 ddxf(x)=f′(x)=lim⁡Δx→0ΔyΔx\displaystyle \frac{d}{dx}f(x)=f^{\prime}(x)=\lim_{\Delta x\to0}\frac{\Delta y}{\Delta x}이다.

5단계 · ddx∫axf(t)dt=f(x)\displaystyle \frac{d}{dx}\int_a^x f(t)dt=f(x)이 성립함을 보인다.

따라서 ddxS(x)=lim⁡Δx→0ΔSΔx=f(x)\displaystyle \frac{d}{dx}S(x)=\lim_{\Delta x\to0}\frac{\Delta S}{\Delta x}=f(x)이때, S(x)=∫axf(t)dt\displaystyle S(x)=\int_a^x f(t)dt이므로, ddx∫axf(t)dt=f(x)\displaystyle \frac{d}{dx}\int_a^x f(t)dt=f(x)이 성립한다.

채점 기준배점
상[1단계]부터 [5단계]까지를 모두 보이고, 논증이 매끄럽고 설득력이 있는 경우S
상[1단계]부터 [5단계]까지를 보였으나 논증이 매끄럽지 않은 경우A
중[1단계]부터 [4단계]까지의 과정을 기술한 경우B
중[1단계]부터 [3단계]까지의 과정을 기술한 경우C
중[1단계]부터 [2단계]까지의 과정을 기술한 경우D
하위 단계 중 한 단계만 기술한 경우E
하어느 단계도 맞게 진술하지 못한 경우, 백지인 경우F

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