수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문 <가>와 <나>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 임의의 함수 h(x)\displaystyle h(x)가 세 실수 a,b,c\displaystyle a,b,c를 포함하는 닫힌구간에서 연속일 때,∫ach(x)dx+∫cbh(x)dx=∫abh(x)dx\displaystyle \int_a^ch(x)dx+\int_c^bh(x)dx=\int_a^bh(x)dx

<나> 닫힌구간 [0,1]\displaystyle [0,1]에서 정의된 연속함수 f(x)\displaystyle f(x)가 다음을 만족시킨다.f′(x)>0(0<x<1),∫01f(x)dx=2,∫01∣f(x)∣dx=5\displaystyle f^{\prime}(x)>0\quad(0<x<1),\quad\int_0^1f(x)dx=\sqrt2,\quad\int_0^1|f(x)|dx=\sqrt5이 때, 함수 F(x)\displaystyle F(x)와 G(x)\displaystyle G(x)는 다음과 같이 정의된다.F(x)=∫0xf(t)dt(0≤x≤1)\displaystyle F(x)=\int_0^xf(t)dt\quad(0\le x\le1)G(x)=∫0x∣f(t)∣dt(0≤x≤1)\displaystyle G(x)=\int_0^x|f(t)|dt\quad(0\le x\le1)

2-1. 제시문 <나>의 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 F(x)\displaystyle F(x)에 대하여 ∫01f(x)∣F(x)∣dx\displaystyle \int_0^1f(x)|F(x)|dx의 값을 구하시오. [15점]

2-2. 제시문 <나>의 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 G(x)\displaystyle G(x)에 대하여 ∫01f(x)eG(x)dx\displaystyle \int_0^1f(x)e^{G(x)}dx의 값을 구하시오. [15점]

해설강의 준비중

2-1. [풀이] f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 증가함수이다. 그러므로 ∫0bf(x)dx=0\displaystyle \int_0^bf(x)dx=0인 b\displaystyle b가 단 하나있다.따라서 F(x)<0\displaystyle F(x)<0 (0<x<b)\displaystyle (0<x<b)이고 F(x)>0\displaystyle F(x)>0 (b<x<1)\displaystyle (b<x<1)이므로 다음 식을 얻는다.∫01f(x)∣F(x)∣dx=−∫0bf(x)F(x)dx+∫b1f(x)F(x)dx\displaystyle \int_0^1f(x)|F(x)|dx=-\int_0^bf(x)F(x)dx+\int_b^1f(x)F(x)dx이 때, F′(x)=f(x)\displaystyle F^{\prime}(x)=f(x)이므로 −∫0bf(x)F(x)dx+∫b1f(x)F(x)dx=−[F2(x)2]0b+[F2(x)2]b1\displaystyle -\int_0^bf(x)F(x)dx+\int_b^1f(x)F(x)dx=-\Biggl[\frac{F^2(x)}2\Biggr]_0^b+\Biggl[\frac{F^2(x)}2\Biggr]_b^1이다.결국 F(1)=∫01f(t)dt=2\displaystyle F(1)=\int_0^1f(t)dt=\sqrt2 이므로 ∫01f(x)∣F(x)∣dx=F2(1)2+F2(0)2=1\displaystyle \int_0^1f(x)|F(x)|dx=\frac{F^2(1)}2+\frac{F^2(0)}2=1이다.

2-2. [풀이] f′(x)>0\displaystyle f^{\prime}(x)>0이므로 f(x)\displaystyle f(x)는 증가함수이다. 그러므로 f(a)=0\displaystyle f(a)=0인 a\displaystyle a가 단 하나있다.따라서 f(x)<0\displaystyle f(x)<0 (0<x<a)\displaystyle (0<x<a)이고 f(x)>0\displaystyle f(x)>0 (a<x<1)\displaystyle (a<x<1)이다.또한 G′(x)=∣f(x)∣\displaystyle G^{\prime}(x)=|f(x)|이므로 G′(x)=−f(x)\displaystyle G^{\prime}(x)=-f(x) (0≤x≤a)\displaystyle (0\le x\le a), G′(x)=f(x)\displaystyle G^{\prime}(x)=f(x) (a≤x≤1)\displaystyle (a\le x\le1)이다.그러므로 ∫01f(x)eG(x)dx=∫0af(x)eG(x)dx+∫a1f(x)eG(x)dx=[−eG(x)]0a+[eG(x)]a1=eG(1)+eG(0)−2eG(a)\displaystyle \int_0^1f(x)e^{G(x)}dx=\int_0^af(x)e^{G(x)}dx+\int_a^1f(x)e^{G(x)}dx=\Biggl[-e^{G(x)}\Biggr]_0^a+\Biggl[e^{G(x)}\Biggr]_a^1=e^{G(1)}+e^{G(0)}-2e^{G(a)}이다.그런데 ∫01f(x)dx=∫0af(x)dx+∫a1f(x)dx=2\displaystyle \int_0^1f(x)dx=\int_0^af(x)dx+\int_a^1f(x)dx=\sqrt2이고 ∫01∣f(x)∣dx=∫0a−f(x)dx+∫a1f(x)dx=5\displaystyle \int_0^1|f(x)|dx=\int_0^a-f(x)dx+\int_a^1f(x)dx=\sqrt5이므로 G(a)=∫0a−f(x)dx=5−22\displaystyle G(a)=\int_0^a-f(x)dx=\frac{\sqrt5-\sqrt2}2이다.결국 ∫01f(x)eG(x)dx=eG(1)+eG(0)−2eG(a)=e5+1−2e5−22\displaystyle \int_0^1f(x)e^{G(x)}dx=e^{G(1)}+e^{G(0)}-2e^{G(a)}=e^{\sqrt5}+1-2e^{\frac{\sqrt5-\sqrt2}2}이다.

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