수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 4번

문제

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해설강의 준비중
10 · (4-1)

(4-1)f(x)=xsinx (x0)\displaystyle f(x)=x\sin x\ (x\ge0)fk 하면 f(x)\displaystyle f(x)의 그래프는 다음과 같이 주어진다.

대학 답안의 함수 x sin x 그래프

위의 그래프로부터 f(x)\displaystyle f(x)는 각 구간 [(k1)π,kπ] (k=0,1,2,)\displaystyle [(k-1)\pi,k\pi]\ (k=0,1,2,\cdots)에서 부호가 일정하고(k1)πkπxsinxdx=[xcosx](k1)πkπ+(k1)πkπcosxdx=kπcos(kπ)+(k1)πcos((k1)π)=kπ(1)k+(k1)π(1)k1=(1)k1(2k1)π\displaystyle \begin{aligned}\int_{(k-1)\pi}^{k\pi}x\sin x\,dx&=\Biggl[-x\cos x\Biggr]_{(k-1)\pi}^{k\pi}+\int_{(k-1)\pi}^{k\pi}\cos x\,dx\\&=-k\pi\cos(k\pi)+(k-1)\pi\cos((k-1)\pi)\\&=-k\pi(-1)^k+(k-1)\pi(-1)^{k-1}=(-1)^{k-1}(2k-1)\pi\end{aligned}이다. 따라서g(30π)=030πtsintdt030πtsintdt={k=130(k1)πkπtsintdt}030πtsintdt=k=130(2k1)π[tcost]030π=900π30π=870π\displaystyle \begin{aligned}g(30\pi)&=\int_0^{30\pi}|t\sin t|\,dt-\left|\int_0^{30\pi}t\sin t\,dt\right|\\&=\left\{\sum_{k=1}^{30}\left|\int_{(k-1)\pi}^{k\pi}t\sin t\,dt\right|\right\}-\left|\int_0^{30\pi}t\sin t\,dt\right|\\&=\sum_{k=1}^{30}(2k-1)\pi-\left|\Biggl[-t\cos t\Biggr]_0^{30\pi}\right|\\&=900\pi-30\pi=870\pi\end{aligned}

15 · (4-2)

(4-2)먼저g(π)=ππ=0g(2π)=π(1+3)π13=2πg(3π)=π(1+3+5)π13+5=6πg(4π)=π(1+3+5+7)π13+57=12π\displaystyle \begin{aligned}g(\pi)&=\pi-\pi=0\\g(2\pi)&=\pi(1+3)-\pi|1-3|=2\pi\\g(3\pi)&=\pi(1+3+5)-\pi|1-3+5|=6\pi\\g(4\pi)&=\pi(1+3+5+7)-\pi|1-3+5-7|=12\pi\end{aligned}이다.(i) x>4π\displaystyle x>4\pi에서 g(x)\displaystyle g(x)가 증가함수이므로 g(x)>g(4π)=12π\displaystyle g(x)>g(4\pi)=12\pi이다. 따라서 g(x)=12π\displaystyle g(x)=12\pi를 만족하는 x\displaystyle x의 최댓값인 β\displaystyle \betaβ=4π\displaystyle \beta=4\pi이다.(ii) 03πtsintdt=(13+5)π=3π\displaystyle \int_0^{3\pi}t\sin t\,dt=(1-3+5)\pi=3\pi이고 04πtsintdt=4π\displaystyle \int_0^{4\pi}t\sin t\,dt=-4\pi이므로0αtsintdt=0\displaystyle \int_0^\alpha t\sin t\,dt=0α\displaystyle \alpha가 구간 (3π,4π)\displaystyle (3\pi,4\pi)에서 존재한다.(iii) 3πxα\displaystyle 3\pi\le x\le\alpha에서 g(x)\displaystyle g(x)는 증가함수이고g(α)=0αtsintdt0αtsintdt=0αtsintdt=(1+3+5+3)π=12π\displaystyle g(\alpha)=\int_0^\alpha|t\sin t|\,dt-\left|\int_0^\alpha t\sin t\,dt\right|=\int_0^\alpha|t\sin t|\,dt=(1+3+5+3)\pi=12\pi이므로 g(x)=12π\displaystyle g(x)=12\pi를 만족하는 x\displaystyle x의 최솟값은 α\displaystyle \alpha이다. 그러므로αβtsintdt=04πtsintdt0αtsintdt=4π\displaystyle \int_\alpha^\beta t\sin t\,dt=\int_0^{4\pi}t\sin t\,dt-\int_0^\alpha t\sin t\,dt=-4\pi이다.

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