수리논술, 배움에서 논증의 완성까지.

자연계열 2번

문제

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해설강의 준비중

[논제 Ⅱ](1) 부분적분법을 이용하면,xsinxdx=x(cosx)(cosx)dx=xcosx+sinx+C\displaystyle \int x\sin x\,dx=x(-\cos x)-\int(-\cos x)\,dx=-x\cos x+\sin x+Cxcosxdx=xsinxsinxdx=xsinx+cosx+C\displaystyle \int x\cos x\,dx=x\sin x-\int\sin x\,dx=x\sin x+\cos x+C

(2) f(x)=xsinx\displaystyle f(x)=x\sin x 라 두고, 이 함수의 부정적분 중 하나를 F(x)=xcosx+sinx\displaystyle F(x)=-x\cos x+\sin x 라 하면, F(x)=f(x)\displaystyle F^{\prime}(x)=f(x) 이다. 이를 이용하면, 다음과 같이 부분적분법으로 계산할 수 있다.x2sinxdx=xf(x)dx=xF(x)dx=xF(x)F(x)dx\displaystyle \int x^2\sin x\,dx=\int xf(x)\,dx=\int xF^{\prime}(x)\,dx=xF(x)-\int F(x)\,dx위에서 F(x)\displaystyle F(x)의 부정적분은 xcosx\displaystyle x\cos x의 부정적분의 결과를 이용하여,F(x)dx=xcosx+sinxdx=xsinxcosxcosx+C\displaystyle \int F(x)\,dx=\int-x\cos x+\sin x\,dx=-x\sin x-\cos x-\cos x+C이다.따라서,x2sinxdx=(2x2)cosx+2xsinx+C\displaystyle \int x^2\sin x\,dx=(2-x^2)\cos x+2x\sin x+C위의 함수를 G(x)=(2x2)cosx+2xsinx+C\displaystyle G(x)=(2-x^2)\cos x+2x\sin x+C 라 두고 이 중에서 닫힌구간 [0,2π]\displaystyle [0,2\pi]에서 x\displaystyle x축과 만나지 않는 함수들을 구하기 위하여, 함수의 그래프의 개형을 증가와 감소의 표를 이용하여 구해보면,

x\displaystyle x0π\displaystyle \pi2π\displaystyle 2\pi
G(x)\displaystyle G^{\prime}(x)0+00
G(x)\displaystyle G(x)2+C\displaystyle 2+C(π22)+C\displaystyle (\pi^2-2)+C(24π2)+C\displaystyle (2-4\pi^2)+C

함수의 그래프가 닫힌구간 [0,2π]\displaystyle [0,2\pi]에서 x\displaystyle x축과 만나지 않기 위해서는 최댓값과 최솟값의 부호가 같아야 한다.따라서 (π22+C)(24π2+C)>0\displaystyle (\pi^2-2+C)(2-4\pi^2+C)>0 인 다음 부정적분 함수들에 대하여 x\displaystyle x축과 만나지 않는다.G(x)=(2x2)cosx+2xsinx+C,C<2π2\displaystyle G(x)=(2-x^2)\cos x+2x\sin x+C,\quad C<2-\pi^2 혹은 C>4π22\displaystyle C>4\pi^2-2.

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