수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 II 3번

문제

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해설강의 준비중

1) 미적분의 기본 정리와 평균값의 정리를 이용하여 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 대하여abexsinxdx=(ba)ecsinc\displaystyle \int_a^be^x\sin x\,dx=(b-a)e^c\sin c를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 존재함을 보이시오.(15점)

+15점 · 미적분의 기본 정리와 평균값의 정리를 이용하여 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 대하여 abexsinxdx=(ba)ecsinc\displaystyle \int_a^be^x\sin x\,dx=(b-a)e^c\sin c 를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 존재함을 보이시오.

(예시답안)미적분의 기본 정리에 의해 x[a,b]\displaystyle x\in[a,b]에 대하여 F(x)=axetsintdt\displaystyle F(x)=\int_a^xe^t\sin t\,dt 는 미분가능하고 F(x)=exsinx\displaystyle F^{\prime}(x)=e^x\sin x 로 주어진다. 그러므로 abf(x)dx=F(b)F(a)\displaystyle \int_a^bf(x)\,dx=F(b)-F(a)이고 평균값의 정리에 의하여 F(b)F(a)ba=F(c)=ecsinc\displaystyle \frac{F(b)-F(a)}{b-a}=F^{\prime}(c)=e^c\sin c 가 성립하는 c\displaystyle c(a,b)\displaystyle (a,b)에 적어도 하나 존재한다.

2) 최대·최소의 정리와 중간값의 정리를 이용하여 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 대하여abexsinxdx=sincabexdx\displaystyle \int_a^be^x\sin x\,dx=\sin c\int_a^be^x\,dx를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 존재함을 보이시오.

+15점 · 최대·최소의 정리와 중간값의 정리를 이용하여 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에 대하여 abexsinxdx=sincabexdx\displaystyle \int_a^be^x\sin x\,dx=\sin c\int_a^be^x\,dx 를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에 존재함을 보이시오.

(예시답안)최대·최소의 정리에 의하여 구간 [a,b]\displaystyle [a,b] 에서 y=sinx\displaystyle y=\sin x는 최소값 m\displaystyle m과 최대값 M\displaystyle M을 가진다. 따라서 f(x)=exsinx\displaystyle f(x)=e^x\sin x 는 구간 [a,b]\displaystyle [a,b] 에서 mexexsinxMex\displaystyle me^x\le e^x\sin x\le Me^x 를 만족하고mabexdxabexsinxdxMabexdx\displaystyle m\int_a^be^x\,dx\le\int_a^be^x\sin x\,dx\le M\int_a^be^x\,dx 이 성립한다.

위의 부등식을 양수인 abexdx\displaystyle \int_a^be^x\,dx 로 나누면mabexsinxdxabexdxM\displaystyle m\le\frac{\int_a^be^x\sin x\,dx}{\int_a^be^x\,dx}\le M 이 되고,중간값의 정리에 의하여 y=sinx\displaystyle y=\sin xabexsinxdxabexdx=sinc\displaystyle \frac{\int_a^be^x\sin x\,dx}{\int_a^be^x\,dx}=\sin c만족하는 c\displaystyle c를 구간 (a,b)\displaystyle (a,b)에서 가진다.

3) 위의 문제 (2)에 의하여ππexsinxdx=sincππexdx\displaystyle \int_{-\pi}^\pi e^x\sin x\,dx=\sin c\int_{-\pi}^\pi e^x\,dx를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (π,π)\displaystyle (-\pi,\pi)에 존재한다. 모든 실수 c\displaystyle c의 합을 구하시오.

+10점 · 위의 문제 (2)에 의하여 ππexsinxdx=sincππexdx\displaystyle \int_{-\pi}^\pi e^x\sin x\,dx=\sin c\int_{-\pi}^\pi e^x\,dx 를 만족하는 실수 c\displaystyle c가 구간 (π,π)\displaystyle (-\pi,\pi)에 존재한다. 모든 실수 c\displaystyle c의 합을 구하시오.

(예시답안)부분적분에 의하여 exsinxdx=12ex(sinxcosx)+C\displaystyle \int e^x\sin x\,dx=\frac12e^x(\sin x-\cos x)+C 이므로ππexsinxdx=[12ex(sinxcosx)]ππ=eπcosπ+eπcos(π)2=12(eπeπ)\displaystyle \int_{-\pi}^\pi e^x\sin x\,dx=\Biggl[\frac12e^x(\sin x-\cos x)\Biggr]_{-\pi}^\pi=\frac{-e^\pi\cos\pi+e^{-\pi}\cos(-\pi)}2=\frac12(e^\pi-e^{-\pi}) 이고sinc=ππexsinxdxππexdx=12eπeπeπeπ=12\displaystyle \sin c=\frac{\int_{-\pi}^\pi e^x\sin x\,dx}{\int_{-\pi}^\pi e^x\,dx}=\frac12\frac{e^\pi-e^{-\pi}}{e^\pi-e^{-\pi}}=\frac12 이다.그러므로 c=16π,56π\displaystyle c=\frac16\pi,\frac56\pi 이고 그 합은 π\displaystyle \pi이다.

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