수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

[문제 2번] 다음 물음에 답하시오.

(1) 연속함수 f(x)\displaystyle f(x)가 ∫0π2f(sin⁡x) dx=π2\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}f(\sin x)\,dx=\frac\pi2을 만족할 때,정적분 ∫0π2xf(cos⁡x) dx+∫0π2xf(sin⁡x) dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}xf(\cos x)\,dx+\int_0^{\frac\pi2}xf(\sin x)\,dx의 값을 구하시오.

(2) 정적분 ∫0π4ln⁡(1+tan⁡x) dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi4}\ln(1+\tan x)\,dx의 값을 구하시오.

(3) 연속함수 f(x)\displaystyle f(x)가 f(x)=cos⁡x−∫0π4(f(t)−π4)cos⁡t dt\displaystyle f(x)=\cos x-\int_0^{\frac\pi4}\left(f(t)-\frac\pi4\right)\cos t\,dt로 주어졌을 때, f(x)\displaystyle f(x)를 구하시오.

해설강의 준비중
+15점 · ∫0π2x[f(cos⁡x)+f(sin⁡x)] dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}x[f(\cos x)+f(\sin x)]\,dx의 값을 구하기 위해 ∫0π2xf(cos⁡x) dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}xf(\cos x)\,dx에서 x=π2−t\displaystyle x=\frac\pi2-t로 치환하여 주어진 정적분을 변환하였는가?

(1) x=π2−t\displaystyle x=\frac\pi2-t로 치환하면, dx=−dt\displaystyle dx=-dt이다. 이를 이용하면 정적분 ∫0π2xf(cos⁡x) dx\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}xf(\cos x)\,dx의 값을 다음과 같이구할 수 있다.∫0π2xf(cos⁡x) dx=∫π20(π2−t)f(cos⁡(π2−t))(−dt)=∫0π2(π2−t)f(sin⁡t) dt=π2∫0π2f(sin⁡t) dt−∫0π2tf(sin⁡t) dt\displaystyle \begin{aligned}\int_0^{\frac\pi2}xf(\cos x)\,dx&=\int_{\frac\pi2}^0\left(\frac\pi2-t\right)f\left(\cos\left(\frac\pi2-t\right)\right)(-dt)\\&=\int_0^{\frac\pi2}\left(\frac\pi2-t\right)f(\sin t)\,dt\\&=\frac\pi2\int_0^{\frac\pi2}f(\sin t)\,dt-\int_0^{\frac\pi2}tf(\sin t)\,dt\end{aligned}

+15점 · 정적분값을 제대로 구했는가?

위의 식으로부터 ∫0π2xf(cos⁡x) dx+∫0π2xf(sin⁡x) dx=π2∫0π2f(sin⁡t) dt=π2×π2=π24\displaystyle \int_0^{\frac\pi2}xf(\cos x)\,dx+\int_0^{\frac\pi2}xf(\sin x)\,dx=\frac\pi2\int_0^{\frac\pi2}f(\sin t)\,dt=\frac\pi2\times\frac\pi2=\frac{\pi^2}4이다.

+20점 · x=π4−t\displaystyle x=\frac\pi4-t로 치환하고 탄젠트 덧셈정리를 이용하여 주어진 정적분을 변환하였는가?

(2) I=∫0π4ln⁡(1+tan⁡x) dx\displaystyle I=\int_0^{\frac\pi4}\ln(1+\tan x)\,dx라고 하자.정적분 I\displaystyle I에서 x=π4−t\displaystyle x=\frac\pi4-t로 치환하면, dx=−dt\displaystyle dx=-dt이다.탄젠트 덧셈공식을 사용하여, tan⁡x=tan⁡(π4−t)=tan⁡π4−tan⁡t1+tan⁡π4⋅tan⁡t=1−tan⁡t1+tan⁡t\displaystyle \tan x=\tan\left(\frac\pi4-t\right)=\frac{\tan\frac\pi4-\tan t}{1+\tan\frac\pi4\cdot\tan t}=\frac{1-\tan t}{1+\tan t}을 얻는다.그러면 I=∫0π4ln⁡(1+tan⁡x) dx=∫π40ln⁡(1+1−tan⁡t1+tan⁡t)(−dt)=∫0π4ln⁡21+tan⁡t dt=∫0π4[ln⁡2−ln⁡(1+tan⁡t)] dt=π4ln⁡2−I\displaystyle \begin{aligned}I=\int_0^{\frac\pi4}\ln(1+\tan x)\,dx&=\int_{\frac\pi4}^0\ln\left(1+\frac{1-\tan t}{1+\tan t}\right)(-dt)\\&=\int_0^{\frac\pi4}\ln\frac2{1+\tan t}\,dt=\int_0^{\frac\pi4}[\ln2-\ln(1+\tan t)]\,dt=\frac\pi4\ln2-I\end{aligned}이다.

+10점 · 정적분값을 제대로 구했는가?

따라서 I=π8ln⁡2\displaystyle I=\frac\pi8\ln2이다.

+15점 · A=∫0π4[f(t)−π4]cos⁡t dt\displaystyle A=\int_0^{\frac\pi4}\left[f(t)-\frac\pi4\right]\cos t\,dt로 놓고, 다시 f(x)\displaystyle f(x)를 A\displaystyle A에 대입하였는가?

(3) f(x)=cos⁡x−∫0π4(f(t)−π4)cos⁡t dt\displaystyle f(x)=\cos x-\int_0^{\frac\pi4}\left(f(t)-\frac\pi4\right)\cos t\,dt에서 A=∫0π4(f(t)−π4)cos⁡t dt\displaystyle A=\int_0^{\frac\pi4}\left(f(t)-\frac\pi4\right)\cos t\,dt라고 하자.그러면 f(x)=cos⁡x−A\displaystyle f(x)=\cos x-A이므로,A=∫0π4(f(t)−π4)cos⁡t dt=∫0π4(cos⁡t−A−π4)cos⁡t dt=∫0π4cos⁡2t dt−(A+π4)∫0π4cos⁡t dt=∫0π4cos⁡2t+12 dt−(A+π4)∫0π4cos⁡t dt\displaystyle \begin{aligned}A&=\int_0^{\frac\pi4}\left(f(t)-\frac\pi4\right)\cos t\,dt=\int_0^{\frac\pi4}\left(\cos t-A-\frac\pi4\right)\cos t\,dt\\&=\int_0^{\frac\pi4}\cos^2t\,dt-\left(A+\frac\pi4\right)\int_0^{\frac\pi4}\cos t\,dt=\int_0^{\frac\pi4}\frac{\cos2t+1}2\,dt-\left(A+\frac\pi4\right)\int_0^{\frac\pi4}\cos t\,dt\end{aligned}

+25점 · 정적분을 올바로 구하여 함수 f(x)\displaystyle f(x)를 찾았는가?

=12[12sin⁡2t+t]0π4−(A+π4)[sin⁡t]0π4=12(12+π4)−(A+π4)22\displaystyle =\frac12\Biggl[\frac12\sin2t+t\Biggr]_0^{\frac\pi4}-\left(A+\frac\pi4\right)\Biggl[\sin t\Biggr]_0^{\frac\pi4}=\frac12\left(\frac12+\frac\pi4\right)-\left(A+\frac\pi4\right)\frac{\sqrt2}2이다. 따라서 A=2−24−π8(32−4)\displaystyle A=\frac{2-\sqrt2}4-\frac\pi8(3\sqrt2-4)이므로, f(x)=cos⁡x−2−24+π8(32−4)\displaystyle f(x)=\cos x-\frac{2-\sqrt2}4+\frac\pi8(3\sqrt2-4)이다.

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