수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

(가) 함수 f(x)\displaystyle f(x)는 연속이고, 그 그래프가 원점에 대해 대칭이고, 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여f(x)=π4∫2x+2f(t)dt\displaystyle f(x)=\frac\pi4\int_2^{x+2}f(t)dt를 만족하고 f(2)=1\displaystyle f(2)=1이 성립한다.

(나) (합성함수의 미분법) 미분가능한 두 함수 y=g(z)\displaystyle y=g(z)와 z=h(x)\displaystyle z=h(x)에 대해, 합성함수 y=g(h(x))\displaystyle y=g(h(x))는 미분가능하고 그 도함수는y′=g′(h(x))h′(x)\displaystyle y'=g'(h(x))h'(x)로 주어진다.

1. ∫02xf(x+2)dx\displaystyle \int_0^2xf(x+2)dx의 값은?

2. f′′(x)\displaystyle f''(x)가 모든 실수 x\displaystyle x에 대해 정의되는가에 대하여 논하되, 반드시 제시문 (나)를 이용하시오.

3. 제시문 (가)의 조건들을 모두 만족하는 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 예를 드시오.

해설강의 준비중

1. 제시문 (가)에 주어진 조건에 의해, 모든 실수 x\displaystyle x에 대해f′(x)=π4f(x+2)\displaystyle f'(x)=\frac\pi4f(x+2)가 성립한다. 그러므로,∫02xf(x+2)dx=4π∫02xf′(x)dx=4π([xf(x)]02−∫02f(x)dx)\displaystyle \int_0^2xf(x+2)dx=\frac4\pi\int_0^2xf'(x)dx=\frac4\pi(\Biggl[xf(x)\Biggr]_0^2-\int_0^2f(x)dx)그런데, [xf(x)]02=2f(2)=2\displaystyle \Biggl[xf(x)\Biggr]_0^2=2f(2)=2이고, 또한 제시문 (가)의 조건들을 다시 이용하면−f(2)=f(−2)=π4∫20f(t)dt=−π4∫02f(t)dt\displaystyle -f(2)=f(-2)=\frac\pi4\int_2^0f(t)dt=-\frac\pi4\int_0^2f(t)dt이므로 ∫02f(t)dt=4π\displaystyle \int_0^2f(t)dt=\frac4\pi이므로, ∫02xf(x+2)dx=4π(2−4π)=8π(1−2π)\displaystyle \int_0^2xf(x+2)dx=\frac4\pi(2-\frac4\pi)=\frac8\pi(1-\frac2\pi)이다.

2. f′(x)=π4f(x+2)\displaystyle f'(x)=\frac\pi4f(x+2)가 성립하므로 f(x)\displaystyle f(x)는 모든 실수 x\displaystyle x에서 미분가능하다.그런데 f(x+2)\displaystyle f(x+2)는 함수 x+2\displaystyle x+2와 f(x)\displaystyle f(x)의 합성함수이므로 제시문 (나)에 의해f′′(x)=(π4f(x+2))′=π4(f(x+2))′=π4f′(x+2)=(π4)2f(x+4)\displaystyle f''(x)=(\frac\pi4f(x+2))'=\frac\pi4(f(x+2))'=\frac\pi4f'(x+2)=(\frac\pi4)^2f(x+4)가 성립한다. 즉 f′′(x)\displaystyle f''(x)는 모든 실수 x\displaystyle x에 대해 존재하고 그 값은 (π4)2f(x+4)\displaystyle (\frac\pi4)^2f(x+4)이다.

3. f(x)=sin⁡(π4x)\displaystyle f(x)=\sin(\frac\pi4x)라 두면 f(x)\displaystyle f(x)는 연속이고 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 원점에 대해 대칭이다.또한 f(2)=1\displaystyle f(2)=1을 만족한다. 더 나아가∫2x+2sin⁡(π4x)dx=[−4πcos⁡(π4x)]2x+2=−4πcos⁡(π4x+π2)+cos⁡π2=4πsin⁡(π4x)\displaystyle \int_2^{x+2}\sin(\frac\pi4x)dx=\Biggl[-\frac4\pi\cos(\frac\pi4x)\Biggr]_2^{x+2}=-\frac4\pi\cos(\frac\pi4x+\frac\pi2)+\cos\frac\pi2=\frac4\pi\sin(\frac\pi4x)그러므로, π4∫2x+2sin⁡(π4x)dx=sin⁡(π4x)\displaystyle \frac\pi4\int_2^{x+2}\sin(\frac\pi4x)dx=\sin(\frac\pi4x). 즉, f(x)=π4∫2x+2f(t)dt\displaystyle f(x)=\frac\pi4\int_2^{x+2}f(t)dt,따라서 함수 f(x)=sin⁡(π4x)\displaystyle f(x)=\sin(\frac\pi4x)는 제시문 (가)의 조건을 모두 만족한다.

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