수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 3번

문제

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3-1. [풀이] f(x)\displaystyle f(x)는 미분가능 하므로 구간 [a,x]\displaystyle [a,x], [x,b]\displaystyle [x,b]에서 각각 제시문 <가>의 평균값의 정리를 적용시키면f(x)f(a)xa=f(c)\displaystyle \frac{f(x)-f(a)}{x-a}=f^{\prime}(c) (a<c<x)\displaystyle (a<c<x), f(b)f(x)bx=f(d)\displaystyle \frac{f(b)-f(x)}{b-x}=f^{\prime}(d) (x<d<b)\displaystyle (x<d<b)를 만족하는 c\displaystyle c, d\displaystyle d가 존재한다.f(x)<0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)<0이므로 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 감소함수이다. 또한 c<d\displaystyle c<d이므로 f(c)>f(d)\displaystyle f^{\prime}(c)>f^{\prime}(d)를 만족한다. 따라서 f(x)f(a)xa>f(b)f(x)bx\displaystyle \frac{f(x)-f(a)}{x-a}>\frac{f(b)-f(x)}{b-x}이다.

3-2. [풀이] f(t)=0tex2dx\displaystyle f(t)=\int_0^t e^{-x^2}dx라 하자. 0<t<1\displaystyle 0<t<1일 때, 제시문 <다>에 의하여 f(t)=et2\displaystyle f^{\prime}(t)=e^{-t^2}, f(t)=2tet2<0\displaystyle f^{\prime\prime}(t)=-2te^{-t^2}<0이므로 문제 3-1의 부등식에 의하여 f(t)f(0)t0>f(1)f(t)1t\displaystyle \frac{f(t)-f(0)}{t-0}>\frac{f(1)-f(t)}{1-t}가 성립한다.f(0)=0\displaystyle f(0)=0이므로 (1t)f(t)>t(f(1)f(t))f(t)>tf(1)\displaystyle (1-t)f(t)>t(f(1)-f(t))\Rightarrow f(t)>tf(1)이다. 따라서 0tex2dx>t01ex2dx\displaystyle \int_0^te^{-x^2}dx>t\int_0^1e^{-x^2}dx이다.

3-3. [풀이] 01x2f(tx)dx\displaystyle \int_0^1x^2f(tx)dx에서 tx=u\displaystyle tx=u라 치환하면 x=1tu\displaystyle x=\frac1t u dx=1tdu\displaystyle dx=\frac1tdu이며, 적분구간은 x=0\displaystyle x=0일 때 u=0\displaystyle u=0, x=1\displaystyle x=1일 때 u=t\displaystyle u=t이다.그러므로 01x2f(tx)dx=0t1t2u2f(u)1tdu=1t30tu2f(u)du=et\displaystyle \int_0^1x^2f(tx)dx=\int_0^t\frac1{t^2}u^2f(u)\frac1tdu=\frac1{t^3}\int_0^tu^2f(u)du=e^t이고 0tu2f(u)du=t3et\displaystyle \int_0^tu^2f(u)du=t^3e^t이다. 이제 양변을 t\displaystyle t에 대하여 미분하면 t2f(t)=3t2et+t3etf(t)=(t+3)et\displaystyle t^2f(t)=3t^2e^t+t^3e^t\Rightarrow f(t)=(t+3)e^t. 따라서 f(x)=(x+3)ex\displaystyle f(x)=(x+3)e^x이다.

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