수리논술, 이게 다다.

자연계열 3번

오류 제보

문제

[문제 3] 다음 제시문 <가>~<다>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 함수 f(t)\displaystyle f(t)가 구간 [α,β]\displaystyle [\alpha,\beta]에서 연속이고 t=g(x)\displaystyle t=g(x)가 미분 가능한 함수일 때, g(a)=α\displaystyle g(a)=\alpha, g(b)=β\displaystyle g(b)=\beta이면 ∫αβf(t)dt=∫abf(g(x))g′(x)dx\displaystyle \int_\alpha^\beta f(t)dt=\int_a^b f(g(x))g^{\prime}(x)dx이다.

<나> 두 함수 f(x)\displaystyle f(x), g(x)\displaystyle g(x)가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 연속이고, 그의 도함수들이 연속일 때, 등식 ∫abf′(x)g(x)dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf(x)g′(x)dx\displaystyle \int_a^b f^{\prime}(x)g(x)dx=\Biggl[f(x)g(x)\Biggr]_a^b-\int_a^b f(x)g^{\prime}(x)dx가 성립한다.

<다> y=f(x)\displaystyle y=f(x)는 x≥0\displaystyle x\ge0에서 정의되고 f(0)=0\displaystyle f(0)=0, f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0을 만족하는 함수이다. f(x)\displaystyle f(x)의 역함수를 g(x)\displaystyle g(x)라 할 때, 등식 ∫0ag(y)dy=ag(a)−∫0g(a)f(x)dx\displaystyle \int_0^a g(y)dy=ag(a)-\int_0^{g(a)}f(x)dx가 성립한다. (단, a>0\displaystyle a>0)

3-1. 함수 f(x)\displaystyle f(x)가 0≤x≤1\displaystyle 0\le x\le1에서 연속일 때, 제시문 <가>와 sin⁡(π−x)=sin⁡x\displaystyle \sin(\pi-x)=\sin x임 을 이용하여∫0πxf(sin⁡x)dx=π2∫0πf(sin⁡x)dx\displaystyle \int_0^\pi xf(\sin x)dx=\frac\pi2\int_0^\pi f(\sin x)dx가 성립함을 보이시오. [10점]

3-2. y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 역함수를 x=g(y)\displaystyle x=g(y)라 할 때 ∫abf(x)dx=bf(b)−af(a)−∫f(a)f(b)g(y)dy\displaystyle \int_a^b f(x)dx=bf(b)-af(a)-\int_{f(a)}^{f(b)}g(y)dy가 성립함을 보이시오.(단 0<a<b≤1\displaystyle 0<a<b\le1) [10점]

3-3. F(t)=∫0tln⁡(1+x)dx−at\displaystyle F(t)=\int_0^t\ln(1+\sqrt{x})dx-at (t≥0\displaystyle t\ge0)라 할 때, 제시문 <다>를 이용하여 F(t)\displaystyle F(t)의 최솟값을 구하시오. [15점]

해설강의 준비중
5점 · 3-1

3-1. [풀이]x=π−t\displaystyle x=\pi-t로 놓으면 dx=−dt\displaystyle dx=-dt이므로∫0πxf(sin⁡x)dx=∫π0(π−t)f(sin⁡(π−t))(−dt)=∫0π(π−t)f(sin⁡t)dt=∫0ππf(sin⁡t)dt−∫0πtf(sin⁡t)dt\displaystyle \begin{aligned}\int_0^\pi xf(\sin x)dx&=\int_\pi^0(\pi-t)f(\sin(\pi-t))(-dt)\\&=\int_0^\pi(\pi-t)f(\sin t)dt\\&=\int_0^\pi\pi f(\sin t)dt-\int_0^\pi tf(\sin t)dt\end{aligned}

10점 · 3-1

따라서 2∫0πxf(sin⁡x)dx=π∫0πf(sin⁡x)dx\displaystyle 2\int_0^\pi xf(\sin x)dx=\pi\int_0^\pi f(\sin x)dx이므로∫0πxf(sin⁡x)dx=π2∫0πf(sin⁡x)dx\displaystyle \int_0^\pi xf(\sin x)dx=\frac\pi2\int_0^\pi f(\sin x)dx

10점 · 3-2

3-2. [풀이]dxdy=g′(y)\displaystyle \frac{dx}{dy}=g^{\prime}(y)이므로,∫abf(x)dx=∫f(a)f(b)yg′(y)dy=[yg(y)]f(a)f(b)−∫f(a)f(b)g(y)dy=bf(b)−af(a)−∫f(a)f(b)g(y)dy\displaystyle \begin{aligned}\int_a^b f(x)dx&=\int_{f(a)}^{f(b)}yg^{\prime}(y)dy\\&=\Biggl[yg(y)\Biggr]_{f(a)}^{f(b)}-\int_{f(a)}^{f(b)}g(y)dy\\&=bf(b)-af(a)-\int_{f(a)}^{f(b)}g(y)dy\end{aligned}

5점 · 3-3

3-3. [풀이]y=ln⁡(1+x)\displaystyle y=\ln(1+\sqrt{x})라 할 때, 1+x=ey\displaystyle 1+\sqrt{x}=e^y, x=(ey−1)2\displaystyle x=(e^y-1)^2이므로, f(x)=ln⁡(1+x)\displaystyle f(x)=\ln(1+\sqrt{x})의 역함수는g(x)=(ex−1)2\displaystyle g(x)=(e^x-1)^2이다.

10점 · 3-3

한편, F(t)=∫0tln⁡(1+x)dx−at\displaystyle F(t)=\int_0^t\ln(1+\sqrt{x})dx-at이므로 F′(t)=ln⁡(1+t)−a\displaystyle F^{\prime}(t)=\ln(1+\sqrt{t})-a이고, F′′(t)>0\displaystyle F^{\prime\prime}(t)>0이다.따라서 t=(ea−1)2\displaystyle t=(e^a-1)^2일 때, 극소이면서 최소이다.

15점 · 3-3

이때 t\displaystyle t값은 g(a)\displaystyle g(a)와 같으므로, 제시문 <다>를 이용하면,F(g(a))=∫0g(a)ln⁡(1+x)dx−ag(a)=−∫0ag(y)dy=−∫0a(ey−1)2dy=−[e2y2−2ey+y]0a=−e2a2+2ea−a−32\displaystyle \begin{aligned}F(g(a))&=\int_0^{g(a)}\ln(1+\sqrt{x})dx-ag(a)=-\int_0^a g(y)dy\\&=-\int_0^a(e^y-1)^2dy\\&=-\Biggl[\frac{e^{2y}}2-2e^y+y\Biggr]_0^a\\&=-\frac{e^{2a}}2+2e^a-a-\frac32\end{aligned}따라서 F(t)\displaystyle F(t)의 최솟값은 −e2a2+2ea−a−32\displaystyle -\frac{e^{2a}}2+2e^a-a-\frac32이다.

첨삭 사례

아직 등록된 첨삭 사례가 없습니다.

질문과 답변 · 0개질문과 답변 · 고정 0개

아직 등록된 질문이 없습니다. 질문 작성은 멤버십 회원만 가능합니다.