수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 3번

오류 제보

문제

[문제 3] 중간값의 정리, 평균값의 정리, 미적분의 기본 정리는 다음과 같다. [40점]

중간값의 정리: 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 f(a)≠f(b)\displaystyle f(a)\ne f(b)일 때, k\displaystyle k가 f(a)\displaystyle f(a)와 f(b)\displaystyle f(b)사이의 값이면 f(c)=k\displaystyle f(c)=k를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 적어도 하나 존재한다.

평균값의 정리: 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 미분가능하면 f(b)−f(a)b−a=f′(c)\displaystyle \frac{f(b)-f(a)}{b-a}=f^{\prime}(c)를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 열린 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 적어도 하나 존재한다.

미적분의 기본 정리: 닫힌 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속인 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여F(x)=∫axf(t) dt(단, a≤x≤b)\displaystyle F(x)=\int_a^xf(t)\,dt\quad(\text{단, }a\le x\le b)로 정의하면 함수 F(x)\displaystyle F(x)는 미분가능하고 F′(x)=f(x)\displaystyle F^{\prime}(x)=f(x)이다.

위 정리를 이용하여 다음 물음에 답하시오.

(1) 미적분의 기본 정리와 평균값의 정리를 이용하여∫0πexsin⁡x dx=πecsin⁡c\displaystyle \int_0^\pi e^x\sin x\,dx=\pi e^c\sin c를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에 존재함을 보이시오.

(2) 중간값의 정리를 이용하여∫0πexsin⁡x dx=sin⁡c∫0πex dx\displaystyle \int_0^\pi e^x\sin x\,dx=\sin c\int_0^\pi e^x\,dx를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에 존재함을 보이시오.

(3) 문제 (2)의 식을 만족하고 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에 존재하는 모든 실수 c\displaystyle c의 합을 구하시오.

해설강의 준비중

1) 미적분의 기본 정리와 평균값의 정리를 이용하여∫0πexsin⁡x dx=πecsin⁡c\displaystyle \int_0^\pi e^x\sin x\,dx=\pi e^c\sin c를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에 존재함을 보이시오.

+15점 · 미적분의 기본 정리와 평균값의 정리를 이용하여 ∫0πexsin⁡x dx=πecsin⁡c\displaystyle \int_0^\pi e^x\sin x\,dx=\pi e^c\sin c 를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에 존재함을 보이시오

(예시답안) 미적분의 기본 정리에 의해 x∈[0,π]\displaystyle x\in[0,\pi]에 대하여 F(x)=∫0xexsin⁡x dt\displaystyle F(x)=\int_0^xe^x\sin x\,dt 는 미분가능하고 F′(x)=exsin⁡x\displaystyle F^{\prime}(x)=e^x\sin x 로 주어진다.Correction. 적분 변수 t\displaystyle t에 맞추면 F(x)=∫0xexsin⁡x dt\displaystyle F(x)=\int_0^xe^x\sin x\,dt는 F(x)=∫0xetsin⁡t dt\displaystyle F(x)=\int_0^xe^t\sin t\,dt의 오기이다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.따라서 ∫0πexsin⁡x dx=F(π)−F(0)\displaystyle \int_0^\pi e^x\sin x\,dx=F(\pi)-F(0) 이고 F(0)=0\displaystyle F(0)=0이므로 평균값의 정리에 의하여F(π)π=F(π)−F(0)π−0=F′(c)=ecsin⁡c\displaystyle \frac{F(\pi)}\pi=\frac{F(\pi)-F(0)}{\pi-0}=F^{\prime}(c)=e^c\sin c가 성립하는 c\displaystyle c가 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에 적어도 하나 존재한다.

2) 중간값의 정리를 이용하여∫0πexsin⁡x dx=sin⁡c∫0πex dx\displaystyle \int_0^\pi e^x\sin x\,dx=\sin c\int_0^\pi e^x\,dx를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에 존재함을 보이시오.

+15점 · 중간값의 정리를 이용하여 ∫0πexsin⁡x dx=sin⁡c∫0πex dx\displaystyle \int_0^\pi e^x\sin x\,dx=\sin c\int_0^\pi e^x\,dx 를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에 존재함을 보이시오

(예시답안) 부분적분에 의하여 ∫exsin⁡x dx=12ex(sin⁡x−cos⁡x)+C\displaystyle \int e^x\sin x\,dx=\frac12e^x(\sin x-\cos x)+C 이므로∫0πexsin⁡x dx=[12ex(sin⁡x−cos⁡x)]0π=eπ+12\displaystyle \int_0^\pi e^x\sin x\,dx=\Biggl[\frac12e^x(\sin x-\cos x)\Biggr]_0^\pi=\frac{e^\pi+1}2 이고∫0πexsin⁡x dx∫0πex dx=12eπ+1eπ−1\displaystyle \frac{\int_0^\pi e^x\sin x\,dx}{\int_0^\pi e^x\,dx}=\frac12\frac{e^\pi+1}{e^\pi-1} 이다. 3<eπ\displaystyle 3<e^\pi가 성립하므로 eπ+1<2eπ−2\displaystyle e^\pi+1<2e^\pi-2 이 되어서0<∫0πexsin⁡x dx∫0πex dx=12eπ+1eπ−1<1\displaystyle 0<\frac{\int_0^\pi e^x\sin x\,dx}{\int_0^\pi e^x\,dx}=\frac12\frac{e^\pi+1}{e^\pi-1}<1 이 성립한다.

따라서 중간값의 정리에 의해 적당한 c∈(0,π)\displaystyle c\in(0,\pi)가 존재해서∫0πexsin⁡x dx∫0πex dx=12eπ+1eπ−1=sin⁡c\displaystyle \frac{\int_0^\pi e^x\sin x\,dx}{\int_0^\pi e^x\,dx}=\frac12\frac{e^\pi+1}{e^\pi-1}=\sin c 를 만족한다.

3) 문제 (2)의 식을 만족하고 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에 존재하는 모든 실수 c\displaystyle c의 합을 구하시오.

+10점 · 문제 (2)의 식을 만족하고 구간 (0,π)\displaystyle (0,\pi)에 존재하는 모든 실수 c\displaystyle c의 합을 구하시오

(예시답안) y=sin⁡x\displaystyle y=\sin x는 [0,π2]\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right] 에서 증가 함수이고 [π2,π]\displaystyle \left[\frac\pi2,\pi\right] 에서 감소 함수이므로 12eπ+1eπ−1=sin⁡c<1\displaystyle \frac12\frac{e^\pi+1}{e^\pi-1}=\sin c<1 를 만족하면서 [0,π2)\displaystyle \left[0,\frac\pi2\right)에 포함되어 있는 c\displaystyle c와 (π2,π]\displaystyle \left(\frac\pi2,\pi\right]에 포함되어 있는 c\displaystyle c는 하나씩밖에 없다. 이 두 개의 c\displaystyle c를 각각 c1,c2\displaystyle c_1,c_2라 하면 sin⁡c1=12eπ+1eπ−1=sin⁡c2\displaystyle \sin c_1=\frac12\frac{e^\pi+1}{e^\pi-1}=\sin c_2이다. 그러므로 sin⁡(π−θ)=sin⁡θ\displaystyle \sin(\pi-\theta)=\sin\theta에 의해 적당한 각도 θ∈[0,π2)\displaystyle \theta\in\left[0,\frac\pi2\right)에 대하여 c1=θ\displaystyle c_1=\theta 와 c2=π−θ\displaystyle c_2=\pi-\theta로 주어진다. 따라서 c1+c2=π\displaystyle c_1+c_2=\pi 이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.