수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 I 3번

문제

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함수 f(x)\displaystyle f(x)가 연속함수이므로 임의의 유계인 닫힌 구간에서 항상 적분가능하다.

[문제 3]-(1) : F(t)\displaystyle F(t)가 기함수임을 보이려면 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 F(t)=F(t)\displaystyle F(t)=-F(-t)가 성립함을 보이면 된다. 정적분의 적분 구간 성질 또는 치환적분에 의해F(t)=0tf(x)dx=t0f(x)dx=0tf(x)dx\displaystyle -F(-t)=-\int_0^{-t}f(x)\,dx=\int_{-t}^0 f(x)\,dx=\int_0^t f(-x)\,dx이 성립하고, f(x)\displaystyle f(x)가 우함수이므로 f(x)=f(x)\displaystyle f(x)=f(-x) 성질에 의하여 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여F(t)=0tf(x)dx=t0f(x)dx=0tf(x)dx=0tf(x)dx=F(t)\displaystyle -F(-t)=-\int_0^{-t}f(x)\,dx=\int_{-t}^0 f(x)\,dx=\int_0^t f(-x)\,dx=\int_0^t f(x)\,dx=F(t)이다. 그러므로 F(t)\displaystyle F(t)는 기함수이다.

[문제 3]-(2) : F(t)\displaystyle F(t)가 우함수임을 보이려면 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 F(t)=F(t)\displaystyle F(t)=F(-t)가 성립함을 보이면 된다. 정적분의 적분 구간 성질에 의해F(t)F(t)=atf(x)dxatf(x)dx=atf(x)dx+taf(x)dx=ttf(x)dx\displaystyle F(t)-F(-t)=\int_a^t f(x)\,dx-\int_a^{-t}f(x)\,dx=\int_a^t f(x)\,dx+\int_{-t}^a f(x)\,dx=\int_{-t}^t f(x)\,dx으로 표현된다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 기함수이므로 원점에 대하여 대칭인 성질에 의하여ttf(x)dx=0\displaystyle \int_{-t}^t f(x)\,dx=0이 성립한다. 따라서 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 F(t)=F(t)\displaystyle F(t)=F(-t)가 성립하고 F(t)\displaystyle F(t)는 우함수이다.

[문제 3]-(3) : F(t)\displaystyle F(t)가 주기가 p\displaystyle p인 주기함수임을 보이려면 F(t+p)=F(t)\displaystyle F(t+p)=F(t)임을 보이면 된다. 그리고 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 위의 등식을 적분으로 나타내어 보면F(t+p)=at+pf(x)dx=atf(x)dx+tt+pf(x)dx=F(t)+tt+pf(x)dx\displaystyle F(t+p)=\int_a^{t+p}f(x)\,dx=\int_a^t f(x)\,dx+\int_t^{t+p}f(x)\,dx=F(t)+\int_t^{t+p}f(x)\,dx이 성립함으로 실제로는 tt+pf(x)dx=0\displaystyle \int_t^{t+p}f(x)\,dx=0을 보이면 충분하다.

함수 f(x)\displaystyle f(x)가 주기가 p\displaystyle p인 주기함수이고 닫힌구간 [t,t+p]\displaystyle [t,t+p]의 길이가 p\displaystyle p이므로 주기함수의 적분 성질에 의해tt+pf(x)dx=0pf(x)dx=p2p2f(x)dx\displaystyle \int_t^{t+p}f(x)\,dx=\int_0^p f(x)\,dx=\int_{-\frac p2}^{\frac p2}f(x)\,dx이 성립한다. 그리고 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 기함수임으로, 원점에 대한 대칭 성질에 의하여p2p2f(x)dx=0\displaystyle \int_{-\frac p2}^{\frac p2}f(x)\,dx=0이다. 따라서 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 tt+pf(x)dx=0\displaystyle \int_t^{t+p}f(x)\,dx=0이 성립하고 F(t)\displaystyle F(t)는 주기가 p\displaystyle p인 주기함수이다.

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