수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 4번

문제

(가) 치환적분법 : 미분가능한 함수 g(t)\displaystyle g(t)에 대하여 x=g(t)\displaystyle x=g(t)로 놓으면f(x)dx=f(g(t))g(t)dt\displaystyle \int f(x)\,dx=\int f(g(t))g^{\prime}(t)\,dt이다. 예를 들면, ef(θ)f(θ)dθ\displaystyle \int e^{f(\theta)}f^{\prime}(\theta)\,d\thetaf(θ)=t\displaystyle f(\theta)=t로 놓으면 f(θ)dθ=dt\displaystyle f^{\prime}(\theta)\,d\theta=dt이므로ef(θ)f(θ)dθ=etdt=et+C=ef(θ)+C\displaystyle \int e^{f(\theta)}f^{\prime}(\theta)\,d\theta=\int e^t\,dt=e^t+C=e^{f(\theta)}+C이다.

(나) 정적분의 성질 : 두 함수 f(θ),g(θ)\displaystyle f(\theta),g(\theta)가 구간 [a,b]\displaystyle [a,b]에서 f(θ)g(θ)\displaystyle f(\theta)\le g(\theta)이면 abf(θ)dθabg(θ)dθ\displaystyle \int_a^bf(\theta)\,d\theta\le\int_a^bg(\theta)\,d\theta이다.

(다) 함수의 극한에 대한 성질 : H(x)F(x)G(x)\displaystyle H(x)\le F(x)\le G(x)이고 limxH(x)=limxG(x)=L\displaystyle \lim_{x\to\infty}H(x)=\lim_{x\to\infty}G(x)=L이면 limxF(x)=L\displaystyle \lim_{x\to\infty}F(x)=L이다.

(4-1) x>0\displaystyle x>0일 때,F(x)=π4π4extanθdθ\displaystyle F(x)=\int_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}e^{x\tan\theta}\,d\thetaG(x)=π4π4extanθsec2θdθ\displaystyle G(x)=\int_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}e^{x\tan\theta}\sec^2\theta\,d\theta라고 하자. 이때, 12G(x)F(x)G(x)\displaystyle \frac12G(x)\le F(x)\le G(x)임을 증명하시오. (10점)

(4-2) 제시문 (다)와 (4-1)에서 주어진 부등식 관계를 이용하여,limxln(xF(x))x\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac{\ln(xF(x))}x의 값을 구하시오. (15점)

해설강의 준비중
10 · (4-1)

(4-1)π4θπ4\displaystyle -\frac\pi4\le\theta\le\frac\pi4이므로 12cosθ1\displaystyle \frac1{\sqrt2}\le\cos\theta\le1, 1secθ2\displaystyle 1\le\sec\theta\le\sqrt2이다.따라서 1sec2θ2\displaystyle 1\le\sec^2\theta\le2이므로 extanθextanθsec2θ2extanθ\displaystyle e^{x\tan\theta}\le e^{x\tan\theta}\sec^2\theta\le2e^{x\tan\theta}이다.π4\displaystyle -\frac\pi4에서 π4\displaystyle \frac\pi4까지 적분을 취하면 12G(x)F(x)G(x)\displaystyle \frac12G(x)\le F(x)\le G(x)이다.

15 · (4-2)

(4-2)제시문 (가)로부터 G(x)=π4π4extanθsec2θdθ=[1xextanθ]π4π4=exexx\displaystyle G(x)=\int_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}e^{x\tan\theta}\sec^2\theta\,d\theta=\Biggl[\frac1x e^{x\tan\theta}\Biggr]_{-\frac\pi4}^{\frac\pi4}=\frac{e^x-e^{-x}}x를 얻는다.x>0\displaystyle x>0이고 ln\displaystyle \ln은 증가함수이므로 (4-1)에서 주어진 부등식 12G(x)F(x)G(x)\displaystyle \frac12G(x)\le F(x)\le G(x)으로부터 1xln(12xG(x))1xln(xF(x))1xln(xG(x))\displaystyle \frac1x\ln\left(\frac12xG(x)\right)\le\frac1x\ln(xF(x))\le\frac1x\ln(xG(x))을 얻는다.한편 1xln(12xG(x))=1xln12+1xln(xG(x))\displaystyle \frac1x\ln\left(\frac12xG(x)\right)=\frac1x\ln\frac12+\frac1x\ln(xG(x))이고 limx1xln12=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac1x\ln\frac12=0이므로 구하는 극한값은 제시문 (다)에 의해limx1xln(xF(x))=limx1xln(xG(x))=limx1xln(exex)=limx1xln(ex(1e2x))=limx(1+ln(1e2x)x)=1\displaystyle \begin{aligned}\lim_{x\to\infty}\frac1x\ln(xF(x))&=\lim_{x\to\infty}\frac1x\ln(xG(x))\\&=\lim_{x\to\infty}\frac1x\ln(e^x-e^{-x})\\&=\lim_{x\to\infty}\frac1x\ln(e^x(1-e^{-2x}))=\lim_{x\to\infty}\left(1+\frac{\ln(1-e^{-2x})}x\right)=1\end{aligned}

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