미분가능한 함수 f(x)의 역함수 f−1(x)가 존재하고, 이 역함수가 미분가능할 때, 함수 y=f−1(x)의 도함수를 구해보자.역함수의 정의에 의하여 f(f−1(x))=x이므로 이 식의 양변을 x에 대하여 미분하면f′(f−1(x))(f−1)′(x)=1이다. 따라서(f−1)′(x)=f′(f−1(x))1=f′(y)1(f′(y)=0),즉, dxdy=dydx1(dydx=0)이다.(실제 적용)아래 그림은 함수 f(x)=x3의 그래프와 그 역함수 g(x)=3x의 그래프를 나타낸 것이다.
역함수의 미분법을 이용하여 함수 y=3x의 도함수를 구해보자.y=3x에서 x=y3이고 x=y3의 양변을 y에 대하여 미분하면 dydx=3y2이므로함수 y=3x의 도함수는dxdy=dydx1=3y21=33x21(단, x=0)이다.
2-1. f(x)=tanx(0≤x<2π)일 경우, 역함수의 미분법을 이용하여 g(x)=f−1(x)(x≥0)의 도함수 g′(x)가 1+x21임을 논술하시오. [30점]
2-2. 문제 2-1의 결과로부터 다음의 부정적분 공식이 성립함을 알 수 있다.
∫1+x21dx=g(x)+C(단, C는 적분상수이다.)
위의 공식과 부분적분법을 이용하여 다음의 적분값을 계산하고 그 과정을 자세히 서술하시오. [40점]
∫01g(x)dx=41π−21ln2
2-3. ∫04πtanxdx=21ln2임을 치환적분법을 이용하여 계산하고 그 과정을 자세히 서술하시오. [15점]
2-4. f(x)=tanx, 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
고려대 세종캠퍼스 2022학년도 모의논술 약학과 2번 · mathesis.kr/archive/korea-sejong/2022mo/yak_2
+15점 · (해설)
역함수의 미분법을 이용하여 dxdy=dydx1=sec2y1을 서술하면 15점
[2-1]단계1.y=f−1(x)=g(x)이고 y=f(x)=tanx의 역함수 x=tany를 y에 대하여 양변을 미분하면dydx=(tany)′dydx=sec2y이다.
+15점 · (해설)
cos2y1=cos2ycos2y+sin2y=1+tan2y임을 이용하여
dxdy=1+tan2y1=1+x21을 풀이하면 15점
+15점 · (해설)그림에 있는 사각형 A와 사각형 B와 같은 적분값을 구하는데 필요한 사각형을 표시하고, f(x)와 g(x)=f−1(x)의 그래프를 y=x에 대하여 대칭으로 그리면 15점
[2-4]단계1.
+15점 · (해설)
∫01g(x)dx의 값은 역함수의 성질에 의해 사각형 B의 넓이에서 y=tanx함수의 x=0에서 x=4π부분을 적분한 값을 빼면 구할 수 있음을 서술하면 15점
단계2.그림의 실선(x=1,y=4π)과 x축(y=0), y축(x=0)으로 이루어진 사각형 A의 넓이는 4π이다.또한, 점선(x=4π,y=1)과 x축(y=0), y축(x=0)으로 이루어진 사각형 B의 넓이도 4π이다.∫01g(x)dx=(사각형 A의넓이)−(y=4π,x=0,y=g(x)로둘러싸인부분의넓이)이다.
+15점 · (해설)
결론적으로, ∫01g(x)dx의 값은 사각형 B의 넓이인 4π에서 [2-3] 문제에서 구한 21ln2를 뺀 값이고, 그 값은 [2-2] 문제에서 구한 4π−21ln2와 일치함을 서술하면 15점
단계3.여기에서, y=g(x)의 그래프와 y=tanx의 그래프는 역함수의 성질에 의해 y=x에 대하여 대칭이므로 (y=4π,x=0,y=g(x)로둘러싸인부분의넓이)는∫04πtanxdx=21ln2와 같다.즉, ∫01g(x)dx=4π−21ln2이다.