수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 (오전) 1번

문제

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해설강의 준비중
+15점 · 양수 a\displaystyle a의 값을 구했는가?

1.f(x)=0xln(t+1)+at+1dt=aln(x+1)+asds=[12s2]aln(x+1)+a=12(ln(x+1)+a)212a212a2\displaystyle f(x)=\int_0^x\frac{\ln(t+1)+a}{t+1}\,dt=\int_a^{\ln(x+1)+a}s\,ds=\Biggl[\frac12s^2\Biggr]_a^{\ln(x+1)+a}=\frac12(\ln(x+1)+a)^2-\frac12a^2\ge-\frac12a^2이고, x=ea1\displaystyle x=e^{-a}-1에서 최소값 12a2\displaystyle -\frac12a^2을 갖는다.따라서 a=1\displaystyle a=1이고, f(x)=12[ln(x+1)]2+ln(x+1)\displaystyle f(x)=\frac12[\ln(x+1)]^2+\ln(x+1)이다.

+15점 · f(x)\displaystyle f(x)를 치환하여 정적분을 구했는가?

f(x)\displaystyle f(x)를 미분하면 f(x)=ln(x+1)1x+1+1x+1=ln(x+1)+1x+1\displaystyle f^{\prime}(x)=\ln(x+1)\frac1{x+1}+\frac1{x+1}=\frac{\ln(x+1)+1}{x+1}이다.정적분 0e21[ln(x+1)+1][f(x)]3x+1dx\displaystyle \int_0^{e^2-1}\frac{[\ln(x+1)+1][f(x)]^3}{x+1}\,dx을 구하기 위하여 f(x)=t\displaystyle f(x)=t로 치환하여 적분하면,0e21[ln(x+1)+1][f(x)]3x+1dx=04t3dt=[14t4]04=43=64\displaystyle \int_0^{e^2-1}\frac{[\ln(x+1)+1][f(x)]^3}{x+1}\,dx=\int_0^4t^3\,dt=\Biggl[\frac14t^4\Biggr]_0^4=4^3=64이다.

+15점 · f(x)\displaystyle f(x)의 부정적분을 구했는가?

2. f(x)\displaystyle f(x)x\displaystyle x축과의 교점을 구하면,f(x)=0  12(ln(x+1))2+ln(x+1)=0  ln(x+1)=0 or 2  x=0 or x=e21\displaystyle f(x)=0\ \Rightarrow\ \frac12(\ln(x+1))^2+\ln(x+1)=0\ \Rightarrow\ \ln(x+1)=0\ \text{or}\ -2\ \Rightarrow\ x=0\ \text{or}\ x=e^{-2}-1따라서 구하고자 하는 정적분은 다음과 같이 나눌 수 있다.e310f(x)dx=e31e21f(x)dxe210f(x)dx\displaystyle \int_{e^{-3}-1}^0|f(x)|\,dx=\int_{e^{-3}-1}^{e^{-2}-1}f(x)\,dx-\int_{e^{-2}-1}^0f(x)\,dx ---------------- ①우선 f(x)\displaystyle f(x)의 부정적분을 구하면,f(x)dx=[12(ln(x+1))2+ln(x+1)]dx=12(ln(x+1))2dx+ln(x+1)dx=12[(x+1)(ln(x+1))2(x+1)2ln(x+1)1x+1dx]+ln(x+1)dx=12(x+1)(ln(x+1))2.\displaystyle \begin{aligned}\int f(x)\,dx&=\int\left[\frac12(\ln(x+1))^2+\ln(x+1)\right]\,dx=\frac12\int(\ln(x+1))^2\,dx+\int\ln(x+1)\,dx\\&=\frac12\left[(x+1)(\ln(x+1))^2-\int(x+1)2\ln(x+1)\frac1{x+1}\,dx\right]+\int\ln(x+1)\,dx\\&=\frac12(x+1)(\ln(x+1))^2.\end{aligned}

+15점 · 구간을 나누어 정적분을 구했는가?

등식 ①의 오른쪽 첫 번째 적분을 구하면,e31e21f(x)dx=12(x+1)[(ln(x+1))2]e31e21=12e2(2)212e3(3)2=2e292e3.\displaystyle \begin{aligned}\int_{e^{-3}-1}^{e^{-2}-1}f(x)\,dx&=\frac12(x+1)\Biggl[(\ln(x+1))^2\Biggr]_{e^{-3}-1}^{e^{-2}-1}=\frac12e^{-2}(-2)^2-\frac12e^{-3}(-3)^2\\&=2e^{-2}-\frac92e^{-3}.\end{aligned}등식 ①의 오른쪽 두 번째 적분을 구하면,e210f(x)dx=[12(x+1)[ln(x+1)]2]e210=012e2×(2)2=2e2.\displaystyle \int_{e^{-2}-1}^0f(x)\,dx=\Biggl[\frac12(x+1)[\ln(x+1)]^2\Biggr]_{e^{-2}-1}^0=0-\frac12e^{-2}\times(-2)^2=-2e^{-2}.그러므로 구하는 정적분은 e310f(x)dx=4e292e3\displaystyle \int_{e^{-3}-1}^0|f(x)|\,dx=4e^{-2}-\frac92e^{-3}이다.

+20점 · 평균값 정리를 잘 적용했는가?

3. f(x)=ln(x+1)+1x+1\displaystyle f^{\prime}(x)=\frac{\ln(x+1)+1}{x+1}이고, 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 f(x)=ln(x+1)(x+1)2<0\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=\frac{-\ln(x+1)}{(x+1)^2}<0이다.그러므로 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 감소함수이다. 평균값 정리에 의해 아래의 ①과 ②가 성립한다.1x\displaystyle \frac1x2x\displaystyle \frac2x사이에 c1\displaystyle c_1이 존재하여 f(c1)=f(2x)f(1x)2x1x=x[f(2x)f(1x)]\displaystyle f^{\prime}(c_1)=\frac{f\left(\frac2x\right)-f\left(\frac1x\right)}{\frac2x-\frac1x}=x\left[f\left(\frac2x\right)-f\left(\frac1x\right)\right]을 만족한다.2x\displaystyle \frac2x3x\displaystyle \frac3x사이에 c2\displaystyle c_2가 존재하여 f(c2)=f(3x)f(2x)3x2x=x[f(3x)f(2x)]\displaystyle f^{\prime}(c_2)=\frac{f\left(\frac3x\right)-f\left(\frac2x\right)}{\frac3x-\frac2x}=x\left[f\left(\frac3x\right)-f\left(\frac2x\right)\right]을 만족한다.

+20점 · f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)가 감소함수임을 보이고 평균값 정리에서 얻어진 식으로 부등식을 증명했는가?

x>0\displaystyle x>0에서 함수 f(x)\displaystyle f^{\prime}(x)는 감소함수이고 c1<c2\displaystyle c_1<c_2이므로, f(c1)>f(c2)\displaystyle f^{\prime}(c_1)>f^{\prime}(c_2)이다.따라서 x[f(2x)f(1x)]>x[f(3x)f(2x)]\displaystyle x\left[f\left(\frac2x\right)-f\left(\frac1x\right)\right]>x\left[f\left(\frac3x\right)-f\left(\frac2x\right)\right]이고 x>0\displaystyle x>0이므로,f(2x)f(1x)>f(3x)f(2x)\displaystyle f\left(\frac2x\right)-f\left(\frac1x\right)>f\left(\frac3x\right)-f\left(\frac2x\right)이다.그러므로 양의 실수 x\displaystyle x에 대하여 부등식 2f(2x)>f(1x)+f(3x)\displaystyle 2f\left(\frac2x\right)>f\left(\frac1x\right)+f\left(\frac3x\right)이 성립한다.

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