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자연계열 I 3번

문제

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+2점 · 닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 정의된 연속함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 다음의 적분과 미분의 관계를 언급한다. ddxaxf(t)dt=f(x)(a<x<b)\displaystyle \frac{d}{dx}\int_{a}^{x}f(t)\,dt=f(x)\quad(a<x<b)

3-(1) 1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 함수 H(x)\displaystyle H(x)가 연속임을 보이시오.[풀이]닫힌구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 정의된 연속함수 f(x)\displaystyle f(x)에 대하여 적분과 미분의 관계에 의해 다음을 알 수 있다.ddxaxf(t)dt=f(x)(a<x<b)\displaystyle \frac{d}{dx}\int_{a}^{x}f(t)\,dt=f(x)\quad(a<x<b)

+2점 · 미분가능한 함수는 연속임을 언급한다.

1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 F(x)=1xf(t)dt\displaystyle F(x)=\int_{-1}^{x}f(t)\,dt라 하면, 위 성질로부터 함수 F(x)\displaystyle F(x)1<x<2\displaystyle -1<x<2에서 미분가능하고, 따라서 연속이다.

+3점 · 함수 H(x)\displaystyle H(x)가 열린구간 (1,2)\displaystyle (-1,2)에서 연속이라는 결론을 도출한다.

정적분의 성질에 의해 함수 H(x)\displaystyle H(x)는 다음과 같이 쓸 수 있다.H(x)=2(F(x)10f(t)dt)01f(t)dt=2F(x)210f(t)dt01f(t)dt\displaystyle H(x)=2\left(F(x)-\int_{-1}^{0}f(t)\,dt\right)-\int_{0}^{1}f(t)\,dt=2F(x)-2\int_{-1}^{0}f(t)\,dt-\int_{0}^{1}f(t)\,dt …… ①함수 F(x)\displaystyle F(x)가 열린구간 (1,2)\displaystyle (-1,2)에서 연속이고 연속함수의 성질에 의해 함수 H(x)\displaystyle H(x)도 그 구간에서 연속이다.

+3점 · 01H(x)dx=011H(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1}H(x)\,dx=\int_{0}^{1}1\cdot H(x)\,dx이고 1=ddxx\displaystyle 1=\frac{d}{dx}x임을 언급한다.

3-(2) 다음 등식이 성립함을 보이시오.01H(x)dx=01(12x)f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1}H(x)\,dx=\int_{0}^{1}(1-2x)f(x)\,dx[풀이] 상수 A=210f(t)dt01f(t)dt=211f(t)dt+01f(t)dt\displaystyle A=-2\int_{-1}^{0}f(t)\,dt-\int_{0}^{1}f(t)\,dt=-2\int_{-1}^{1}f(t)\,dt+\int_{0}^{1}f(t)\,dt라 하자. ①로부터 H(x)=2F(x)+A\displaystyle H(x)=2F(x)+A임을 알 수 있고, ddxx=1\displaystyle \frac{d}{dx}x=1이므로

+3점 · 부분적분법을 이용하여 01H(x)dx=[xH(x)]01201xf(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1}H(x)\,dx=\Biggl[xH(x)\Biggr]_{0}^{1}-2\int_{0}^{1}xf(x)\,dx의 형태로 표현한다.

부분적분법을 이용하면 다음을 보일 수 있다.01H(x)dx=01(1(2F(x)+A))dx=2F(1)+A201xF(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1}H(x)\,dx=\int_{0}^{1}\left(1\cdot(2F(x)+A)\right)dx=2F(1)+A-2\int_{0}^{1}xF^{\prime}(x)\,dx

+3점 · [xH(x)]01=01f(x)dx\displaystyle \Biggl[xH(x)\Biggr]_{0}^{1}=\int_{0}^{1}f(x)\,dx 보이고 0cf(x)dx=c1f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{c}f(x)\,dx=\int_{c}^{1}f(x)\,dx이라는 결론을 도출한다.

Correction. 이 단계의 결론은 01H(x)dx=01(12x)f(x)dx\displaystyle \int_0^1 H(x)\,dx=\int_0^1(1-2x)f(x)\,dx이다. (3)의 결론이 잘못 들어갔다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

이때, 2F(1)+A=H(1)=01f(x)dx\displaystyle 2F(1)+A=H(1)=\int_{0}^{1}f(x)\,dx이고 F(x)=f(x)\displaystyle F^{\prime}(x)=f(x)이므로 다음 등식이 성립한다.01H(x)dx=01(12x)f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1}H(x)\,dx=\int_{0}^{1}(1-2x)f(x)\,dx

+1점 · 01H(x)dx=0\displaystyle \int_{0}^{1}H(x)\,dx=0임을 언급한다.

3-(3) 01f(x)dx=201xf(x)dx\displaystyle \int_{0}^{1}f(x)\,dx=2\int_{0}^{1}xf(x)\,dx일 때, 다음 등식을 만족시키는 c\displaystyle c가 열린구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에 적어도 하나 존재함을 보이시오.0cf(x)dx=c1f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{c}f(x)\,dx=\int_{c}^{1}f(x)\,dx[풀이]주어진 조건과 문항 (2)의 결과로부터 01H(x)dx=0\displaystyle \int_{0}^{1}H(x)\,dx=0임을 알 수 있다.

+4점 · 함수 H(x)\displaystyle H(x)의 한 부정적분이 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 롤의 정리 조건을 만족함을 언급한다.

함수 G(x)\displaystyle G(x)를 닫힌구간 [1,2]\displaystyle [-1,2]에서 다음과 같이 정의하자.G(x)=1xH(t)dt\displaystyle G(x)=\int_{-1}^{x}H(t)\,dt그러면 함수 G(x)\displaystyle G(x)는 열린구간 (1,2)\displaystyle (-1,2)에서 미분가능하고, 따라서 그 구간에서 연속이다. 또한, 1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 G(x)=H(x)\displaystyle G^{\prime}(x)=H(x)를 만족한다. 이때, 01H(x)dx=0\displaystyle \int_{0}^{1}H(x)\,dx=0이므로G(0)=10H(t)dt,G(1)=11H(t)dt=10H(t)dt+01H(t)dt=10H(t)dt\displaystyle G(0)=\int_{-1}^{0}H(t)\,dt,\quad G(1)=\int_{-1}^{1}H(t)\,dt=\int_{-1}^{0}H(t)\,dt+\int_{0}^{1}H(t)\,dt=\int_{-1}^{0}H(t)\,dt이다. 따라서 G(0)=G(1)\displaystyle G(0)=G(1)이다.

+4점 · 롤의 정리로부터 H(c)=0\displaystyle H(c)=0을 만족시키는 c\displaystyle c가 열린구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에 적어도 하나 존재함을 언급한다.

함수 G(x)\displaystyle G(x)가 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 연속이고, 열린구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에서 미분가능하므로 롤의 정리에 의해 G(c)=0\displaystyle G^{\prime}(c)=0c\displaystyle c가 열린구간 (0,1)\displaystyle (0,1)에서 적어도 하나 존재한다.

+1점 · 0cf(x)dx=c1f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{c}f(x)\,dx=\int_{c}^{1}f(x)\,dx이라는 결론을 도출한다.

H(c)=G(c)=0\displaystyle H(c)=G^{\prime}(c)=0이므로 함수 H(x)\displaystyle H(x)의 정의에 의해 다음 등식이 성립한다.0cf(x)dx=c1f(x)dx\displaystyle \int_{0}^{c}f(x)\,dx=\int_{c}^{1}f(x)\,dx

+2점 · 1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=0\displaystyle f(x)=0일 때, 임의의 구간에서의 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 정적분 값이 0\displaystyle 0임을 언급하고 1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 H(x)=0\displaystyle H(x)=0이라는 결론을 도출한다.

3-(4) 1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여f(x)=0H(x)=0\displaystyle f(x)=0\Leftrightarrow H(x)=0임을 보이시오.[풀이]1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이면 0xf(t)dtx1f(t)dt=0\displaystyle \int_{0}^{x}f(t)\,dt-\int_{x}^{1}f(t)\,dt=0이므로, 1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 H(x)=0\displaystyle H(x)=0이다.

+2점 · 1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 H(x)=0\displaystyle H(x)=0일 때, 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 한 부정적분이 상수함수임을 언급하고 1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=0\displaystyle f(x)=0이라는 결론을 도출한다.

역으로, 1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 H(x)=0\displaystyle H(x)=0이면 H(x)=2F(x)+A\displaystyle H(x)=2F(x)+A이므로 F(x)=A2\displaystyle F(x)=-\frac{A}{2}이다. 따라서 1<x<2\displaystyle -1<x<2인 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=F(x)=0\displaystyle f(x)=F^{\prime}(x)=0이다.

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