수리논술, 이게 다다.

자연계열 1번

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문제

[문제 1] (25점), 답안지의 [수학 1] 답란에 답안을 작성하시오.

지수함수 f(x)=ex\displaystyle f(x)=e^x는 x\displaystyle x가 커짐에 따라 매우 빠르게 커진다. 특히, 임의의 실수 k\displaystyle k (k≥0\displaystyle k\ge0)에 대하여lim⁡x→∞xkex=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{x^k}{e^x}=0이 성립한다.

(1-1) y=x3e−x2\displaystyle y=x^3e^{-x^2}의 점근선, 대칭성, 극값, 변곡점을 기술하고, 그래프의 개형을 그리시오. (15점)

(1-2) lim⁡t→∞∫0tx3e−x2 dx\displaystyle \lim_{t\to\infty}\int_0^t x^3e^{-x^2}\,dx의 값을 구하시오. (10점)

해설강의 준비중

(1-1)(i) y=x3e−x2\displaystyle y=x^3e^{-x^2}는 기함수이므로 x>0\displaystyle x>0에서만 그림을 그린 후 원점 대칭시킨다.(ii) lim⁡x→±∞x3ex2=0\displaystyle \lim_{x\to\pm\infty}\frac{x^3}{e^{x^2}}=0이므로 y=0\displaystyle y=0(x\displaystyle x축)은 수평점근선이다.(iii) y′=x2(3−2x2)e−x2\displaystyle y^{\prime}=x^2(3-2x^2)e^{-x^2}으로부터{0<x<32⇒y′>0⇒y는 증가함수x>32⇒y′<0⇒y는 감소함수\displaystyle \begin{cases}0<x<\sqrt{\frac32}\Rightarrow y^{\prime}>0\Rightarrow y\text{는 증가함수}\\x>\sqrt{\frac32}\Rightarrow y^{\prime}<0\Rightarrow y\text{는 감소함수}\end{cases}이고 f(32)=3232e−32\displaystyle f(\sqrt{\frac32})=\frac32\sqrt{\frac32}e^{-\frac32}은 극댓값이고 f(−32)=−3232e−32\displaystyle f(-\sqrt{\frac32})=-\frac32\sqrt{\frac32}e^{-\frac32}은 극솟값이다.(iv) y′′=2x(x2−3)(2x2−1)e−x2\displaystyle y^{\prime\prime}=2x(x^2-3)(2x^2-1)e^{-x^2}으로부터{0<x<12⇒y′′>0⇒y는 아래로 볼록12<x<3⇒y′′<0⇒y는 위로 볼록x>3⇒y′′>0⇒y는 아래로 볼록\displaystyle \begin{cases}0<x<\frac1{\sqrt2}\Rightarrow y^{\prime\prime}>0\Rightarrow y\text{는 아래로 볼록}\\\frac1{\sqrt2}<x<\sqrt3\Rightarrow y^{\prime\prime}<0\Rightarrow y\text{는 위로 볼록}\\x>\sqrt3\Rightarrow y^{\prime\prime}>0\Rightarrow y\text{는 아래로 볼록}\end{cases}이고 (0,0)\displaystyle (0,0), (±12,±24e−12)\displaystyle (\pm\frac1{\sqrt2},\pm\frac{\sqrt2}4e^{-\frac12}), (±3,±33e−3)\displaystyle (\pm\sqrt3,\pm3\sqrt3e^{-3})은 변곡점이다.이상을 종합하여 y=x3e−x2\displaystyle y=x^3e^{-x^2}의 그래프의 개형을 그리면 다음과 같다.

함수 y=x³e⁻ˣ²의 그래프와 극값·변곡점의 위치

(1-2)x2=θ\displaystyle x^2=\theta로 치환하면 x dx=12dθ\displaystyle x\,dx=\frac12d\theta이고,∫x3e−x2 dx=12∫θe−θ dθ(부분적분법 사용)=12{−θe−θ+∫e−θ dθ}=12{−θe−θ−e−θ}=12{−x2e−x2−e−x2}+C\displaystyle \begin{aligned} \int x^3e^{-x^2}\,dx&=\frac12\int\theta e^{-\theta}\,d\theta\quad(\text{부분적분법 사용})\\ &=\frac12\{-\theta e^{-\theta}+\int e^{-\theta}\,d\theta\}=\frac12\{-\theta e^{-\theta}-e^{-\theta}\}\\ &=\frac12\{-x^2e^{-x^2}-e^{-x^2}\}+C \end{aligned}이다. 따라서 구하는 극한값은 제시문에 주어진 극한의 결과를 이용하면lim⁡t→∞∫0tx3e−x2 dx=lim⁡t→∞12[−x2e−x2−e−x2]0t=12lim⁡t→∞(−t2et2−1et2+1)=12\displaystyle \lim_{t\to\infty}\int_0^t x^3e^{-x^2}\,dx=\lim_{t\to\infty}\frac12\Biggl[-x^2e^{-x^2}-e^{-x^2}\Biggr]_0^t=\frac12\lim_{t\to\infty}(-\frac{t^2}{e^{t^2}}-\frac1{e^{t^2}}+1)=\frac12.

평가 기준
미적분을 이해하고 있는 정도
계산 능력 및 논리적인 답안 작성 능력

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