수리논술, 이게 다다.

약학과 2번

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문제

2. 다음을 읽고 문제에 답하시오.

미분가능한 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 역함수 f−1(x)\displaystyle f^{-1}(x)가 존재하고, 이 역함수가 미분가능할 때, 함수 y=f−1(x)\displaystyle y=f^{-1}(x)의 도함수를 구해보자.역함수의 정의에 의하여 f(f−1(x))=x\displaystyle f(f^{-1}(x))=x이므로 이 식의 양변을 x\displaystyle x에 대하여 미분하면f′(f−1(x))(f−1)′(x)=1\displaystyle f^{\prime}(f^{-1}(x))(f^{-1})^{\prime}(x)=1이다. 따라서(f−1)′(x)=1f′(f−1(x))=1f′(y)  (f′(y)≠0)\displaystyle (f^{-1})^{\prime}(x)=\frac1{f^{\prime}(f^{-1}(x))}=\frac1{f^{\prime}(y)}\;(f^{\prime}(y)\ne0),즉, dydx=1dxdy  (dxdy≠0)\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac1{\frac{dx}{dy}}\;\left(\frac{dx}{dy}\ne0\right)이다.(실제 적용)아래 그림은 함수 f(x)=x3\displaystyle f(x)=x^3의 그래프와 그 역함수 g(x)=x3\displaystyle g(x)=\sqrt[3]x의 그래프를 나타낸 것이다.

함수와 역함수의 그래프

역함수의 미분법을 이용하여 함수 y=x3\displaystyle y=\sqrt[3]x의 도함수를 구해보자.y=x3\displaystyle y=\sqrt[3]x에서 x=y3\displaystyle x=y^3이고 x=y3\displaystyle x=y^3의 양변을 y\displaystyle y에 대하여 미분하면 dxdy=3y2\displaystyle \frac{dx}{dy}=3y^2이므로함수 y=x3\displaystyle y=\sqrt[3]x의 도함수는dydx=1dxdy=13y2=13x23  (단, x≠0)\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac1{\frac{dx}{dy}}=\frac1{3y^2}=\frac1{3\sqrt[3]{x^2}}\;(\text{단, }x\ne0)이다.

2-1. f(x)=tan⁡x  (0≤x<π2)\displaystyle f(x)=\tan x\;\left(0\le x<\frac\pi2\right)일 경우, 역함수의 미분법을 이용하여 g(x)=f−1(x)  (x≥0)\displaystyle g(x)=f^{-1}(x)\;(x\ge0)의 도함수 g′(x)\displaystyle g^{\prime}(x)가 11+x2\displaystyle \frac1{1+x^2}임을 논술하시오. [30점]

2-2. 문제 2-1의 결과로부터 다음의 부정적분 공식이 성립함을 알 수 있다.

∫11+x2dx=g(x)+C\displaystyle \int\frac1{1+x^2}dx=g(x)+C (단, C\displaystyle C는 적분상수이다.)

위의 공식과 부분적분법을 이용하여 다음의 적분값을 계산하고 그 과정을 자세히 서술하시오. [40점]

∫01g(x) dx=14π−12ln⁡2\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx=\frac14\pi-\frac12\ln2

2-3. ∫0π4tan⁡x dx=12ln⁡2\displaystyle \int_0^{\frac\pi4}\tan x\,dx=\frac12\ln2임을 치환적분법을 이용하여 계산하고 그 과정을 자세히 서술하시오. [15점]

2-4. f(x)=tan⁡x\displaystyle f(x)=\tan x, g(x)=f−1(x)\displaystyle g(x)=f^{-1}(x)의 그래프를 그리고, 문제 2-3의 계산 결과와 역함수의 성질을 이용하여 문제 2-2의 계산 결과가 참임을 논술하시오. [45점]

해설강의 준비중
+15점 · (해설) 역함수의 미분법을 이용하여 dydx=1dxdy=1sec⁡2y\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac1{\frac{dx}{dy}}=\frac1{\sec^2y}을 서술하면 15점

[2-1]단계1.y=f−1(x)=g(x)\displaystyle y=f^{-1}(x)=g(x)이고 y=f(x)=tan⁡x\displaystyle y=f(x)=\tan x의 역함수 x=tan⁡y\displaystyle x=\tan y를 y\displaystyle y에 대하여 양변을 미분하면dxdy=(tan⁡y)′\displaystyle \frac{dx}{dy}=(\tan y)^{\prime}dxdy=sec⁡2y\displaystyle \frac{dx}{dy}=\sec^2y이다.

+15점 · (해설) 1cos⁡2y=cos⁡2y+sin⁡2ycos⁡2y=1+tan⁡2y\displaystyle \frac1{\cos^2y}=\frac{\cos^2y+\sin^2y}{\cos^2y}=1+\tan^2y임을 이용하여 dydx=11+tan⁡2y=11+x2\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac1{1+\tan^2y}=\frac1{1+x^2}을 풀이하면 15점

단계2.그러므로dydx=1dxdy=1sec⁡2y=11cos⁡2y=1cos⁡2y+sin⁡2ycos⁡2y=11+tan⁡2y=11+x2\displaystyle \frac{dy}{dx}=\frac1{\frac{dx}{dy}}=\frac1{\sec^2y}=\frac1{\frac1{\cos^2y}}=\frac1{\frac{\cos^2y+\sin^2y}{\cos^2y}}=\frac1{1+\tan^2y}=\frac1{1+x^2}이다.

+15점 · (해설) 부분적분법을 이용하여 ∫01g(x) dx=g(1)−∫01x1+x2dx\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx=g(1)-\int_0^1\frac x{1+x^2}dx 을 풀이하면 15점

[2-2]단계1.∫11+x2dx=g(x)+C\displaystyle \int\frac1{1+x^2}dx=g(x)+C임을 이용하자.∫01g(x) dx=∫011g(x) dx=[xg(x)]01−∫01xg′(x) dx=g(1)−∫01x1+x2dx\displaystyle \begin{aligned}\int_0^1g(x)\,dx&=\int_0^1 1g(x)\,dx\\&=\Biggl[xg(x)\Biggr]_0^1-\int_0^1xg^{\prime}(x)\,dx\\&=g(1)-\int_0^1\frac x{1+x^2}dx\end{aligned}

+15점 · (해설) 치환적분법을 이용하여 ∫01x1+x2dx=12ln⁡2\displaystyle \int_0^1\frac x{1+x^2}dx=\frac12\ln2 임을 계산하면 15점

단계2.=g(1)−∫1212udu,  여기에서 (1+x2)=u,  2x=dudx=g(1)−12[ln⁡u]12=g(1)−12ln⁡2\displaystyle \begin{aligned}&=g(1)-\int_1^2\frac1{2u}du,\;\text{여기에서 }(1+x^2)=u,\;2x=\frac{du}{dx}\\&=g(1)-\frac12\Biggl[\ln u\Biggr]_1^2\\&=g(1)-\frac12\ln2\end{aligned}

+10점 · ∫01g(x) dx=π4−12ln⁡2\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx=\frac\pi4-\frac12\ln2 (해설) 위에서 계산한 결과들과 g(1)=π4\displaystyle g(1)=\frac\pi4임을 이용하여 ∫01g(x) dx=π4−12ln⁡2\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx=\frac\pi4-\frac12\ln2의 결과를 도출하면 10점

단계3.=π4−12ln⁡2\displaystyle =\frac\pi4-\frac12\ln2

+15점 · (해설) 치환적분법을 이용하여 ∫0π4tan⁡x dx=−ln⁡12\displaystyle \int_0^{\frac\pi4}\tan x\,dx=-\ln\frac1{\sqrt2} 을 계산하면 15점

[2-3]단계1.∫0π4tan⁡x dx=∫0π4sin⁡xcos⁡xdx=∫112−1udu,  여기에서 cos⁡x=u,  −sin⁡x=dudx=[−ln⁡u]112=−ln⁡12=12ln⁡2\displaystyle \begin{aligned}\int_0^{\frac\pi4}\tan x\,dx&=\int_0^{\frac\pi4}\frac{\sin x}{\cos x}dx\\&=\int_1^{\frac1{\sqrt2}}-\frac1u du,\;\text{여기에서 }\cos x=u,\;-\sin x=\frac{du}{dx}\\&=\Biggl[-\ln u\Biggr]_1^{\frac1{\sqrt2}}\\&=-\ln\frac1{\sqrt2}\\&=\frac12\ln2\end{aligned}

+15점 · 역함수와 정적분 채점 그림(해설)그림에 있는 사각형 A와 사각형 B와 같은 적분값을 구하는데 필요한 사각형을 표시하고, f(x)\displaystyle f(x)와 g(x)=f−1(x)\displaystyle g(x)=f^{-1}(x)의 그래프를 y=x\displaystyle y=x에 대하여 대칭으로 그리면 15점

[2-4]단계1.

함수와 역함수의 그래프
+15점 · (해설) ∫01g(x) dx\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx의 값은 역함수의 성질에 의해 사각형 B의 넓이에서 y=tan⁡x\displaystyle y=\tan x함수의 x=0\displaystyle x=0에서 x=π4\displaystyle x=\frac\pi4부분을 적분한 값을 빼면 구할 수 있음을 서술하면 15점

단계2.그림의 실선(x=1,y=π4\displaystyle x=1,y=\frac\pi4)과 x\displaystyle x축(y=0\displaystyle y=0), y\displaystyle y축(x=0\displaystyle x=0)으로 이루어진 사각형 A의 넓이는 π4\displaystyle \frac\pi4이다.또한, 점선(x=π4,y=1\displaystyle x=\frac\pi4,y=1)과 x\displaystyle x축(y=0\displaystyle y=0), y\displaystyle y축(x=0\displaystyle x=0)으로 이루어진 사각형 B의 넓이도 π4\displaystyle \frac\pi4이다.∫01g(x) dx=(사각형 A의 넓이)\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx=(\text{사각형 A의 넓이})−(y=π4,x=0,y=g(x)로 둘러싸인 부분의 넓이)\displaystyle -\left(y=\frac\pi4,x=0,y=g(x)\text{로 둘러싸인 부분의 넓이}\right)이다.

+15점 · (해설) 결론적으로, ∫01g(x) dx\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx의 값은 사각형 B의 넓이인 π4\displaystyle \frac\pi4에서 [2-3] 문제에서 구한 12ln⁡2\displaystyle \frac12\ln2를 뺀 값이고, 그 값은 [2-2] 문제에서 구한 π4−12ln⁡2\displaystyle \frac\pi4-\frac12\ln2와 일치함을 서술하면 15점

단계3.여기에서, y=g(x)\displaystyle y=g(x)의 그래프와 y=tan⁡x\displaystyle y=\tan x의 그래프는 역함수의 성질에 의해 y=x\displaystyle y=x에 대하여 대칭이므로 (y=π4,x=0,y=g(x)로 둘러싸인 부분의 넓이)\displaystyle \left(y=\frac\pi4,x=0,y=g(x)\text{로 둘러싸인 부분의 넓이}\right)는∫0π4tan⁡x dx=12ln⁡2\displaystyle \int_0^{\frac\pi4}\tan x\,dx=\frac12\ln2와 같다.즉, ∫01g(x) dx=π4−12ln⁡2\displaystyle \int_0^1g(x)\,dx=\frac\pi4-\frac12\ln2이다.

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