수리논술, 이게 다다.

자연계열 (오후1) 1번

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문제

[문제 1] 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (50점)

연속함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)가 다음 두 조건을 만족한다.

<가> 모든 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 g(x−y)=g(x)g(y)+f(x)f(y)\displaystyle g(x-y)=g(x)g(y)+f(x)f(y)

<나> f(8)=1, g(8)=0\displaystyle f(8)=1,\ g(8)=0

1. f(0)\displaystyle f(0)과 g(0)\displaystyle g(0)의 값을 구하시오.

2. 모든 실수 x,y\displaystyle x,y에 대하여 f(x+y)=f(x)g(y)+g(x)f(y)\displaystyle f(x+y)=f(x)g(y)+g(x)f(y)임을 보이시오.

3. 함수 f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)\displaystyle g(x)가 x=0\displaystyle x=0에서 미분가능하고 f′(0)=π16, g′(0)=0\displaystyle f^{\prime}(0)=\frac\pi{16},\ g^{\prime}(0)=0일 때정적분 ∫08f(x){g(x)}2eg(x)+1 dx\displaystyle \int_0^8f(x)\{g(x)\}^2e^{g(x)+1}\,dx를 구하시오.

해설강의 준비중
+10점 · 제시문 (가),(나)의 성질을 이용하여 g(0)\displaystyle g(0)을 잘 구했는가?

1. (가)에서 x=y=8\displaystyle x=y=8라면 g(0)=g(8−8)=g(8)2+f(8)2=1.\displaystyle g(0)=g(8-8)=g(8)^2+f(8)^2=1.

+10점 · 제시문 (가),(나)의 성질을 이용하여 f(0)\displaystyle f(0)을 잘 구했는가?

한편 x=y=0\displaystyle x=y=0이면 1=g(0)=g(0)2+f(0)2=1+f(0)2\displaystyle 1=g(0)=g(0)^2+f(0)^2=1+f(0)^2이므로 f(0)=0\displaystyle f(0)=0이다.

+15점 · 함수 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)의 대칭성을 파악하였는가? 즉 f(8−x)=g(x),g(8−x)=f(x)\displaystyle f(8-x)=g(x),g(8-x)=f(x)를 설명하였는가?

2. 먼저 g(8−x)=g(8)g(x)+f(8)f(x)=f(x)\displaystyle g(8-x)=g(8)g(x)+f(8)f(x)=f(x)이고f(8−x)=g(8−(8−x))=g(x)\displaystyle f(8-x)=g(8-(8-x))=g(x)이므로

+15점 · 제시문(가)의 g(x)\displaystyle g(x)의 성질과 f(x),g(x)\displaystyle f(x),g(x)의 대칭성을 이용하여 f(x+y)=f(x)g(y)+g(x)f(y)\displaystyle f(x+y)=f(x)g(y)+g(x)f(y)를 논리적으로 설명하였는가?

f(x+y)=g(8−(x+y))=g((8−x)−y)=g(8−x)g(y)+f(8−x)f(y)=f(x)g(y)+g(x)f(y).\displaystyle \begin{aligned}f(x+y)&=g(8-(x+y))=g((8-x)-y)\\&=g(8-x)g(y)+f(8-x)f(y)\\&=f(x)g(y)+g(x)f(y).\end{aligned}

+25점 · 함수 g(x)\displaystyle g(x)가 실수 전체에서 미분가능함을 설명하였는가?

3. 먼저 π16=f′(0)=lim⁡h→0f(h)−f(0)h=lim⁡h→0f(h)h\displaystyle \frac\pi{16}=f^{\prime}(0)=\lim_{h\to0}\frac{f(h)-f(0)}h=\lim_{h\to0}\frac{f(h)}h이고0=g′(0)=lim⁡h→0g(h)−g(0)h=lim⁡h→0g(h)−1h\displaystyle 0=g^{\prime}(0)=\lim_{h\to0}\frac{g(h)-g(0)}h=\lim_{h\to0}\frac{g(h)-1}h이므로 모든 실수 x\displaystyle x에 대하여g′(x)=lim⁡h→0g(x+h)−g(x)h=lim⁡h→0g(x)g(−h)+f(x)f(−h)−g(x)h=lim⁡h→0g(x)(g(−h)−1)+f(x)f(−h)h=−g′(0)g(x)−f′(0)f(x)=−π16f(x)\displaystyle \begin{aligned}g^{\prime}(x)&=\lim_{h\to0}\frac{g(x+h)-g(x)}h=\lim_{h\to0}\frac{g(x)g(-h)+f(x)f(-h)-g(x)}h\\&=\lim_{h\to0}\frac{g(x)(g(-h)-1)+f(x)f(-h)}h=-g^{\prime}(0)g(x)-f^{\prime}(0)f(x)=-\frac\pi{16}f(x)\end{aligned}이다. 즉 함수 g(x)\displaystyle g(x)는 모든 실수에서 미분가능한 함수이다.

+25점 · 정적분을 잘 계산하였는가?

한편 g(x)=t\displaystyle g(x)=t라 치환하면 ddtg(x)=g′(x)dxdt=−π16f(x)dxdt=1\displaystyle \frac d{dt}g(x)=g^{\prime}(x)\frac{dx}{dt}=-\frac\pi{16}f(x)\frac{dx}{dt}=1이고 g(0)=1,g(8)=0\displaystyle g(0)=1,g(8)=0이므로∫08f(x)g(x)2eg(x)+1 dx=16π∫01t2et+1 dt=16π[(t2−2t+2)et+1]01=16π(e2−2e).\displaystyle \int_0^8f(x)g(x)^2e^{g(x)+1}\,dx=\frac{16}\pi\int_0^1t^2e^{t+1}\,dt=\frac{16}\pi\Biggl[(t^2-2t+2)e^{t+1}\Biggr]_0^1=\frac{16}\pi(e^2-2e).위의 식에서 두 번째 등호는 다음 부정적분으로 알 수 있다.∫t2et+1 dt=t2et+1−2∫tet+1 dt=t2et+1−2(tet+1−∫et+1 dt)=(t2−2t+2)et+1.\displaystyle \int t^2e^{t+1}\,dt=t^2e^{t+1}-2\int te^{t+1}\,dt=t^2e^{t+1}-2\left(te^{t+1}-\int e^{t+1}\,dt\right)=(t^2-2t+2)e^{t+1}.

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