수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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2-1.[풀이]f(x)=1+(xπ2)4cosx2+ex\displaystyle f(x)=\frac{1+(x-\frac\pi2)^4\cos x}{2}+e^x이면f(πx)=1+(π2x)4cos(πx)2+e(πx)=1(xπ2)4cosx2+e(πx)\displaystyle f(\pi-x)=\frac{1+(\frac\pi2-x)^4\cos(\pi-x)}{2}+e^{(\pi-x)}=\frac{1-(x-\frac\pi2)^4\cos x}{2}+e^{(\pi-x)}이므로g(x)=f(x)+f(πx)=1+ex+eπx\displaystyle g(x)=f(x)+f(\pi-x)=1+e^x+e^{\pi-x}이다.따라서 g(x)=exeπx\displaystyle g^{\prime}(x)=e^x-e^{\pi-x}이다.

2-2.[풀이] I=0πf(x)sinxdx\displaystyle I=\int_0^\pi f(x)\sin x\,dx라 하자. x=πt\displaystyle x=\pi-t로 치환하면,=π0f(πt)sin(πt)(dt)=0πf(xx)sinxdx\displaystyle \begin{aligned}&=\int_\pi^0 f(\pi-t)\sin(\pi-t)(-dt)\\&=\int_0^\pi f(x-x)\sin x\,dx\end{aligned}Correction. 치환적분 뒤의 f(xx)\displaystyle f(x-x)f(πx)\displaystyle f(\pi-x)의 오기이다.그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.I=0πf(x)sinxdx=0πf(πx)sinxdx\displaystyle I=\int_0^\pi f(x)\sin x\,dx=\int_0^\pi f(\pi-x)\sin x\,dx이다.따라서, 2I=0π(f(x)+f(πx))sinxdx=0πg(x)sinxdx\displaystyle \begin{aligned}2I&=\int_0^\pi(f(x)+f(\pi-x))\sin x\,dx\\&=\int_0^\pi g(x)\sin x\,dx\end{aligned}이므로,I=0πf(x)sinxdx=120πg(x)sinxdx\displaystyle I=\int_0^\pi f(x)\sin x\,dx=\frac12\int_0^\pi g(x)\sin x\,dx

이 때, 제시문 <나> 의 부분적분법을 이용하면,Correction. 부분적분법을 설명하는 제시문 <나>는 <가>의 오기이다.그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.I=120πg(x)sinxdx=12{[g(x)cosx]0π+0πg(x)cosxdx}=12{g(π)+g(0)+0π(exeπx)cosxdx}\displaystyle \begin{aligned}I&=\frac12\int_0^\pi g(x)\sin x\,dx=\frac12\left\{\Biggl[-g(x)\cos x\Biggr]_0^\pi+\int_0^\pi g^{\prime}(x)\cos x\,dx\right\}\\&=\frac12\left\{g(\pi)+g(0)+\int_0^\pi(e^x-e^{\pi-x})\cos x\,dx\right\}\end{aligned}이다.이 때, g(π)=eπ+2,g(0)=eπ+2\displaystyle g(\pi)=e^\pi+2,g(0)=e^\pi+2이고,0πexcosxdx=0πeπxcosxdx\displaystyle \int_0^\pi e^x\cos x\,dx=-\int_0^\pi e^{\pi-x}\cos x\,dx이므로,I=12{2eπ+4+20πexcosxdx}=12{2eπ+4eπ1}=eπ+32\displaystyle \begin{aligned}I&=\frac12\left\{2e^\pi+4+2\int_0^\pi e^x\cos x\,dx\right\}\\&=\frac12\{2e^\pi+4-e^\pi-1\}\\&=\frac{e^\pi+3}{2}\end{aligned}이다.그러므로, 0πf(x)sinxdx=eπ+32\displaystyle \int_0^\pi f(x)\sin x\,dx=\frac{e^\pi+3}{2}이다.

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