수리논술, 이게 다다.

자연계열 I 1번

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문제

[문항 1] 모든 실수 x\displaystyle x에서 미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)가 연속이다. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음 조건을 만족시킬 때,

(가) f(π6)=23\displaystyle f\left(\frac{\pi}{6}\right)=2\sqrt{3}

(나) 2f(x)+f′(x)tan⁡2x>0\displaystyle 2f(x)+f^{\prime}(x)\tan2x>0

아래 물음에 답하시오. [35점]

(1) 구간 [0,π6]\displaystyle \left[0,\frac{\pi}{6}\right]에서 정의된 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 g(x)=f(x)sin⁡2x\displaystyle g(x)=f(x)\sin2x일 때, g(x)\displaystyle g(x)는 구간 [0,π6]\displaystyle \left[0,\frac{\pi}{6}\right]에서 증가함을 보이시오.

(2) (1)에서 언급한 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 역함수를 h(x)\displaystyle h(x)라 할 때, h(0)\displaystyle h(0)과 h(3)\displaystyle h(3)의 값을 각각 구하시오.

(3) ∫0π6xf(x)cos⁡2x dx=a\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{6}}xf(x)\cos2x\,dx=a, ∫0π6xf′(x)sin⁡2x dx=b\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{6}}xf^{\prime}(x)\sin2x\,dx=b인 실수 a,b\displaystyle a,b와 (2)에서 언급한 h(x)\displaystyle h(x)에 대하여, ∫03h(x)dx\displaystyle \int_{0}^{3}h(x)dx의 값을 a,b\displaystyle a,b로 나타내시오.

해설강의 준비중
+4점 · g(x)\displaystyle g(x)의 도함수가 g′(x)=2f(x)cos⁡2x+f′(x)sin⁡2x\displaystyle g^{\prime}(x)=2f(x)\cos2x+f^{\prime}(x)\sin2x임을 결정함.

1-(1) 구간 [0,π6]\displaystyle \left[0,\frac{\pi}{6}\right]에서 정의된 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 g(x)=f(x)sin⁡2x\displaystyle g(x)=f(x)\sin2x일 때, g(x)\displaystyle g(x)는 구간 [0,π6]\displaystyle \left[0,\frac{\pi}{6}\right]에서 증가함을 보이시오.[풀이] 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 미분가능하므로 g(x)=f(x)sin⁡2x\displaystyle g(x)=f(x)\sin2x도 미분가능하다. f′(x)\displaystyle f^{\prime}(x)가 연속이고g′(x)=2f(x)cos⁡2x+f′(x)sin⁡2x\displaystyle g^{\prime}(x)=2f(x)\cos2x+f^{\prime}(x)\sin2x이므로 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)은 연속함수이다.

+3점 · 조건 (가)를 활용해 g′(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0임을 얻음.

0≤x≤π6\displaystyle 0\le x\le\frac{\pi}{6}인 실수 x\displaystyle x에 대해서, cos⁡2x>0\displaystyle \cos2x>0이고, 조건 (가)에 의해Correction. g′(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0의 근거로 적힌 조건 (가)는 조건 (나)의 오기다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.g′(x)=(2f(x)+f′(x)tan⁡2x)cos⁡2x>0\displaystyle g^{\prime}(x)=(2f(x)+f^{\prime}(x)\tan2x)\cos2x>0이다.

+3점 · g′(x)>0\displaystyle g^{\prime}(x)>0임을 이용하여 g(x)\displaystyle g(x)가 증가함을 얻음.

따라서 g(x)=f(x)sin⁡2x\displaystyle g(x)=f(x)\sin2x는 증가한다.

+5점 · g(0)=0\displaystyle g(0)=0과 g(π6)=3\displaystyle g\left(\frac{\pi}{6}\right)=3임을 얻음.

1-(2) (1)에서 언급한 함수 g(x)\displaystyle g(x)의 역함수를 h(x)\displaystyle h(x)라 할 때, h(0)\displaystyle h(0)과 h(3)\displaystyle h(3)의 값을 각각 구하시오.[풀이] g(0)=f(0)×sin⁡0=0\displaystyle g(0)=f(0)\times\sin0=0이고 g(π6)=f(π6)×sin⁡π3=3\displaystyle g\left(\frac{\pi}{6}\right)=f\left(\frac{\pi}{6}\right)\times\sin\frac{\pi}{3}=3이다.

+5점 · h(x)\displaystyle h(x)가 g(x)\displaystyle g(x)의 역함수임을 이용하여 h(0)=0\displaystyle h(0)=0, h(3)=π6\displaystyle h(3)=\frac{\pi}{6}임을 얻음.

따라서 함수 h(x)\displaystyle h(x)가 g(x)\displaystyle g(x)의 역함수이므로 h(0)=0\displaystyle h(0)=0, h(3)=π6\displaystyle h(3)=\frac{\pi}{6}이다.

+5점 · 정적분과 넓이의 관계를 통해 ∫03h(x)dx+∫0π6g(x)dx=π2\displaystyle \int_{0}^{3}h(x)dx+\int_{0}^{\frac{\pi}{6}}g(x)dx=\frac{\pi}{2}을 얻음.

1-(3) ∫0π6xf(x)cos⁡2x dx=a\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{6}}xf(x)\cos2x\,dx=a, ∫0π6xf′(x)sin⁡2x dx=b\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{6}}xf^{\prime}(x)\sin2x\,dx=b인 실수 a,b\displaystyle a,b와 (2)에서 언급한 h(x)\displaystyle h(x)에 대하여, ∫03h(x)dx\displaystyle \int_{0}^{3}h(x)dx의 값을 a,b\displaystyle a,b로 나타내시오.[풀이] (2)의 결과로부터 h(0)=0\displaystyle h(0)=0, h(3)=π6\displaystyle h(3)=\frac{\pi}{6}이므로, 정적분과 넓이의 관계를 통해∫03h(x)dx+∫0π6g(x)dx=π2\displaystyle \int_{0}^{3}h(x)dx+\int_{0}^{\frac{\pi}{6}}g(x)dx=\frac{\pi}{2}임을 알 수 있다.

+5점 · 부분적분법을 통해 ∫0π6g(x)dx=π2−∫0π6xg′(x)dx\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{6}}g(x)dx=\frac{\pi}{2}-\int_{0}^{\frac{\pi}{6}}xg^{\prime}(x)dx을 얻음.

또한 부분적분법에 의해∫0π6g(x)dx=π2−∫0π6xg′(x)dx\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{6}}g(x)dx=\frac{\pi}{2}-\int_{0}^{\frac{\pi}{6}}xg^{\prime}(x)dx을 얻는다.

+5점 · ∫03h(x)dx=∫0π6(2xf(x)cos⁡2x+xf′(x)sin⁡2x)dx=2a+b\displaystyle \int_{0}^{3}h(x)dx=\int_{0}^{\frac{\pi}{6}}(2xf(x)\cos2x+xf^{\prime}(x)\sin2x)dx=2a+b를 얻음.

따라서∫03h(x)dx=π2−∫0π6g(x)dx=π2−(π2−∫0π6xg′(x)dx)=∫0π6xg′(x)dx=∫0π6(2xf(x)cos⁡2x+xf′(x)sin⁡2x)dx\displaystyle \begin{aligned}\int_{0}^{3}h(x)dx&=\frac{\pi}{2}-\int_{0}^{\frac{\pi}{6}}g(x)dx\\&=\frac{\pi}{2}-\left(\frac{\pi}{2}-\int_{0}^{\frac{\pi}{6}}xg^{\prime}(x)dx\right)\\&=\int_{0}^{\frac{\pi}{6}}xg^{\prime}(x)dx\\&=\int_{0}^{\frac{\pi}{6}}(2xf(x)\cos2x+xf^{\prime}(x)\sin2x)dx\end{aligned}임을 알 수 있다. 문제 조건에 의해∫03h(x)dx=∫0π6(2xf(x)cos⁡2x+xf′(x)sin⁡2x)dx=2a+b\displaystyle \int_{0}^{3}h(x)dx=\int_{0}^{\frac{\pi}{6}}(2xf(x)\cos2x+xf^{\prime}(x)\sin2x)dx=2a+b이다.

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