수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문 <가>~<다>를 읽고 물음에 답하시오.

<가> 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 함수 f(x)\displaystyle f ( x )와 g(x)\displaystyle g ( x )는 미분가능하고 이계도함수와 역함수가 존재한다.

<나> 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여 f′(x)>0\displaystyle f^{\prime} ( x ) > 0이고 f(0)=0\displaystyle f ( 0 ) = 0이다.

<다> 임의의 실수 t\displaystyle t에 대하여 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )와 직선 y=t\displaystyle y = t는 한 점 (g(t),t)\displaystyle ( g ( t ) , t )에서 만난다.

1-1. 양의 실수 a\displaystyle a에 대하여 f(a)=b\displaystyle f ( a ) = b이고 ∫0af(x)dx=3\displaystyle \int_{0}^{a} {f ( x )} d x = 3일 때, ∫0f(a)g(x)dx\displaystyle \int_{0}^{f ( a )} {g ( x )} d x를 a\displaystyle a, b\displaystyle b로 나타내시오. [10점]

1-2. f(c)=f′(c)\displaystyle f ( c ) = f^{\prime} ( c )를 만족하는 상수 c\displaystyle c에 대하여 ∫0f(c)xg′′(x)dx\displaystyle \int_{0}^{f ( c )} {x g^{\prime \prime} ( x )} d x를 c\displaystyle c로 나타내시오. [15점]

1-3. 임의의 양의 실수 t\displaystyle t에 대하여 두 직선 x=t\displaystyle x = t, y=0\displaystyle y = 0 및 곡선 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )로 둘러싸인 도형과 두 직선 x=f(t)\displaystyle x = f ( t ), y=0\displaystyle y = 0 및 곡선 y=g(x)\displaystyle y = g ( x )로 둘러싸인 도형의 넓이가 같다고 하자. f(d)=f′(d)=3\displaystyle f ( d ) = f^{\prime} ( d ) = 3을 만족시킬 때, 양수 d\displaystyle d의 값을 구하시오. [15점]

해설강의 준비중

[1-1 풀이]

제시문 <나>에서 f\displaystyle f는 증가함수이고 제시문 <다>에서 임의의 실수 t\displaystyle t에 대해 f(g(t))=t\displaystyle f ( g ( t ) ) = t이므로 함수 f\displaystyle f와 g\displaystyle g는 역함수 관계이다. 그러므로, ∫0f(a)g(x)dx\displaystyle \int_{0}^{f ( a )} {g ( x )} d x의 값은 y=b\displaystyle y = b, y\displaystyle y축, 그리고 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )로 둘러싸인 넓이와 같다. 또한, y=b\displaystyle y = b, y\displaystyle y축, 그리고 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )로 둘러싸인 넓이와 x=a\displaystyle x = a, x\displaystyle x축, 그리고 y=f(x)\displaystyle y = f ( x )로 둘러싸인 넓이의 합은 ab\displaystyle a b이다.

따라서, ∫0f(a)g(x)dx=ab−∫0af(x)dx=ab−3\displaystyle \int_{0}^{f ( a )} {g ( x )} d x = a b - \int_{0}^{a} {f ( x )} d x = a b - 3.

[1-2 풀이]

제시문 <다>에 의해서 f(x)\displaystyle f ( x )와 g(x)\displaystyle g ( x )는 역함수 관계이므로

∫0f(c)xg′′(x)dx=f(c)g′(f(c))−∫0f(c)g′(x)dx=f(c)1f′(c)−g(f(c))+g(0)=1−c+g(f(0))=1−c\displaystyle \int_{0}^{f ( c )} {x g^{\prime \prime} ( x )} d x = f ( c ) g^{\prime} ( f ( c ) ) - \int_{0}^{f ( c )} {g^{\prime} ( x )} d x = f ( c ) \frac{{1}}{f^{\prime} ( c )} - g ( f ( c ) ) + g ( 0 ) = 1 - c + g ( f ( 0 ) ) = 1 - c

[1-3 풀이]

문제 1-1의 결과에 의해,

∫0f(t)g(x)dx=tf(t)−∫0tf(x)dx\displaystyle \int_{0}^{f ( t )} {g ( x )} d x = t f ( t ) - \int_{0}^{t} {f ( x )} d x이므로 ∫0tf(x)dx=tf(t)−∫0tf(x)dx\displaystyle \int_{0}^{t} {f ( x )} d x = t f ( t ) - \int_{0}^{t} {f ( x )} d x이다. 양변을 t\displaystyle t에 대해 미분하면 f(t)=f(t)+tf′(t)−f(t)\displaystyle f ( t ) = f ( t ) + t f^{\prime} ( t ) - f ( t ) 이므로 f(t)=tf′(t)\displaystyle f ( t ) = t f^{\prime} ( t )가 성립한다.

f(d)=f′(d)=3\displaystyle f ( d ) = f^{\prime} ( d ) = 3이므로 f(d)=df′(d)\displaystyle f ( d ) = d f^{\prime} ( d )를 만족하는 d=1\displaystyle d = 1이다.

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